Формула расчета индуктивности: Coil32 — Формулы расчета индуктивностей катушек

Расчёт индуктивности. Часть 1 | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о таком явлении как электромагнитная индукция и ЭДС возникающая при самоиндукции и взаимной индукции. Устройства, в основе которых лежат данные явления и процессы, называются индуктивными элементами (катушки колебательных контуров, трансформаторы, дроссели, реакторы). В качестве одного из основных параметров данных элементов выступает индуктивность L(также имеет название коэффициента самоиндукции). О том, как рассчитать данный параметр пойдёт речь в данной статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Методы расчёта индуктивностей

Индуктивностью (обозначается L) или коэффициентом самоиндукции называется коэффициент пропорциональности между потокосцеплением (обозначается Ψ­_L) и электрическим током, который возбуждает данное потокосцепление.

В простых случаях индуктивность можно рассчитать, применяя формулы для вычисления магнитной индукции B₀ (закон Био-Савара-Лапласа), магнитного потока Φ и потокосцепления Ψ­_L

где S – площадь поверхности ограниченная контуром, который создает магнитную индукцию;

n – количество контуров с током, которые пронизывает магнитный поток.

Однако это в идеальном случае, в реальности говоря о токе I, который протекает по проводнику, необходимо отметить, что его распределение по сечению проводника не всегда равномерно, вследствие возникновения скин-эффекта при переменном токе. В результате этого эффекта плотность электрического тока распределяется неравномерно, происходит её уменьшение от внешнего слоя проводника к его центру. Уменьшение плотности тока также происходит неравномерно и зависит от частоты переменного тока. Для оценки скин-эффекта ввели понятие толщины скин-слоя ∆, которая показывает, на каком расстоянии от поверхности проводника плотность тока падает в е = 2,718 раз. Толщину скин-слоя можно вычислить по выражению

где δ – глубина проникновения переменного тока или толщина скин-слоя;

μ – магнитная проницаемость вещества;

γ – удельная электрическая проводимость материала проводника;

ω – круговая частота переменного тока, ω = 2πf.

Поэтому непосредственный способ вычисления индуктивности практически не применяется.

На практике применяется выражения для индуктивности, выведенные с некоторыми допущениями, погрешности вычисления индуктивности по этим выражениями составляет порядка нескольких процентов.

Так как индуктивные элементы довольно разнообразны, их можно разделить на три группы:

индуктивные элементы без сердечников;

индуктивные элементы с замкнутыми сердечниками;

индуктивные элементы с сердечниками, имеющие воздушный зазор.

Самые простые по конструкции являются индуктивные элементы без сердечников, поэтому рассмотрим их в первую очередь. Простейшим из таких элементов является прямой провод.

Индуктивность прямолинейного провода круглого сечения

При расчёте индуктивности необходимо разделять индуктивность на постоянном токе и индуктивность на высокой частоте. Под высокой частотой следует понимать такую частоту, на которой толщина скин-слоя меньше размеров поперечного сечения провода. В случае если толщина скин-слоя больше поперечных размеров провода, то можно вести расчёт для постоянного тока.

Определение индуктивности прямого провода. l – это длина проводника, d = 2r – диаметр проводника.

В случае постоянного тока или тока низкой частоты индуктивность составит

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

l – длина провода, м;

d – диаметр провода, м.

Как я уже говорил, на величину индуктивности влияет частота переменного тока, поэтому в случае необходимости рассчитать индуктивность на любой частоте применяется следующее выражение

где ξ – коэффициент, вносящий поправку на распространение переменного тока по сечению провода. Данный коэффициент зависит от величины k*r, где

d = 2r – диаметр поперечного сечения провода, м.

где ω – угловая частота переменного тока, ω = 2πf;

μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

γ – удельная проводимость вещества проводника.

Тогда если k*r < 3, то

если k*r > 3, то

где

Пример. Необходимо рассчитать индуктивность прямолинейного провода круглого сечения из меди (γ = 5,81*10⁷ См/м) диаметром d = 2 мм и длиной l = 4 м, при постоянном токе и токе частотой f = 50 кГц.

На постоянном токе

На частоте 50 кГц

Индуктивность кругового кольца круглого сечения

Теперь рассмотрим, какова будет индуктивность если провод свернуть в кольцо. Такой индуктивный элемент будет иметь вид

Определение индуктивности кругового витка. D – диаметр кольца (витка), d – диаметр провода, из которого сделано кольцо (виток).

При этом его индуктивность можно вычислить по следующему выражению

для  постоянного тока

где R – радиус витка, м, R = D/2;

r – радиус провода, м, r = d/2;

μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м.

Так же как и для проводника существует выражение для индуктивности кругового витка на любой частоте

где ξ – коэффициент, вносящий поправку на распространение переменного тока по сечению провода. Определяется также как и для прямого проводника.

Пример. В качестве примера рассчитаем индуктивность такого же провода, как и в первом примере, только свёрнутом в кольцо. В этом случае диаметр провода d = 2 мм, а диаметр кольца D = l/π = 4/3,142 ≈ 1,273 м, провод выполнен из меди (γ = 5,81*10⁷ См/м).

Для постоянного тока индуктивность составит

На частоте 50 кГц

В следующей части я продолжу рассмотрение расчётов индуктивности для различных индуктивных элементов.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Калькулятор индуктивности однослойной катушки • Электротехнические и радиотехнические калькуляторы • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Однослойная катушка индуктивности: D — диаметр оправки или каркаса катушки, D_c — диаметр катушки, p — шаг намотки катушки, d — диаметр провода без изоляции и d_i — диаметр провода с изоляцией.

Калькулятор определяет индуктивность однослойной катушки.

Пример: рассчитать индуктивность однослойной катушки без сердечника, состоящей из 10 витков на цилиндрическом каркасе диаметром 2 см; длина катушки 1 см.

Входные данные

Диаметр каркаса или оправки катушки

Dмиллиметр (мм)сантиметр (см)дюйм

Количество витков

N

Длина катушки

lмиллиметр (мм)сантиметр (см)дюйм

Выходные данные

Индуктивность катушки

L мГн

Введите диаметр каркаса катушки, число витков и длину катушки, выберите единицы и нажмите кнопку Рассчитать.

Пример: рассчитать число витков и длину намотки катушки 10 мкГн, намотанной эмалированным проводом 0,65 мм (диаметр с изоляцией 0,7 мм) на оправке 2 см.

Входные данные

Требуемая индуктивность

Lгенри (Гн)миллигенри (мГн)микрогенри (мкГн)наногенри (нГн)пикогенри (пГн)

Диаметр каркаса или оправки катушки

Dмиллиметр (мм)сантиметр (см)метр (м)дюйм

Диаметр провода без изоляции

dмиллиметр (мм)сантиметр (см)метр (м)дюймАмериканский калибр проводов

Диаметр изолированного провода

d_iмиллиметр (мм)сантиметр (см)метр (м)дюйм

Выходные данные

Длина намотки

l мм

Количество витков

L

На рисунке выше показана однослойная катушка индуктивности: D_c — диаметр катушки, D — диаметр оправки или каркаса катушки, p — шаг намотки катушки, d — диаметр провода без изоляции и d_i — диаметр провода с изоляцией

Для расчета индуктивности L_S применяется приведенная ниже формула из статьи Р. Уивера (R. Weaver) Численные методы расчета индуктивности:

Здесь

D — диаметр оправки или каркаса катушки в см,

l — длина катушки в см,

N — число витков и

L — индуктивность в мкГн.

Эта формула справедлива только для соленоида, намотанного плоским проводом. Это означает, что катушка намотана очень тонкой лентой без зазора между соседними витками. Она является хорошим приближением для катушек с большим количеством витков, намотанных проводом круглого сечения с минимальным зазором между витками. Американский физик Эдвард Беннетт Роса (Edward Bennett Rosa, 1873–1921) работавший в Национального бюро стандартов США (NBS, сейчас называется Национальное бюро стандартов и технологий (NIST) разработал так называемые корректирующие коэффициенты для приведенной выше формулы в форме (см. формула 10.1 в статье Дэвида Найта, David W. Knight):

Здесь L_S — индуктивность плоской спирали, описанная выше, и

где k_s — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу между самоиндукцией витка из круглого провода и витка из плоской ленты; k_m — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу в полной взаимоиндукции витков из круглого провода по сравнению с витками из плоской ленты; D_c — диаметр катушки в см, измеренный между центрами проводов и N — число витков.

Величина коэффициента Роса k_m определяется по формуле 10.18 в упомянутой выше статье Дэвида Найта:

Коэффициент Роса k_s, учитывающий различие в самоиндукции, определяется по формуле 10.4 в статье Д. Найта:

Здесь p — шаг намотки (расстояние между витками, измеренное по центрам проводов) и d — диаметр провода. Отметим, что отношение p/d всегда больше единицы, так как толщина изоляции провода конечна, а минимально возможное расстояние между двумя соседними витками с очень тонкой изоляцией, расположенными без зазора, равна диаметру провода d.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют несколько факторов.

• Количество витков. Катушка с большим количеством витков имеет бóльшую индуктивность по сравнению с катушкой с меньшим количеством витков.
• Длина намотки. Две катушки с одинаковым количеством витков, но разной длиной намотки имеют разную индуктивность. Более длинная катушка имеет меньшую индуктивность. Это связано с тем, что магнитное поле менее компактной катушки более слабое и оно не может хорошо концентрироваться в растянутой катушке.
• Диаметр катушки. Две плотно намотанные катушки с одинаковым количеством витков и разными диаметрами имеют разную индуктивность. Катушка с бóльшим диаметром имеет бóльшую индуктивность.
• Сердечник. Для увеличения индуктивности в катушку часто вставляется сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Сердечники с более высокой магнитной проницаемостью позволяют получить более высокую индуктивность. Сердечники, изготовленные из магнитной керамики — феррита, часто используются в катушках и трансформаторах различных электронных устройств, так как у них очень низкие потери на вихревые токи.

Упрощенная эквивалентная схема реальной катушки индуктивности: R_w — сопротивление обмотки и ее выводов; L — индуктивность идеальной катушки; R_l — сопротивление вследствие потерь в сердечнике; и C_w — паразитная емкость катушки и ее выводов.

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности

В этом калькуляторе мы рассматривали идеальную катушку индуктивности. В то же время, в реальной жизни таких катушке не бывает. Катушки обычно конструируются с минимальными размерами таким образом, чтобы они помещались в миниатюрное устройство. Любую реальную катушку индуктивности можно представить в виде идеальной индуктивности, к которой параллельно подключены емкость и сопротивление, а еще одно сопротивление подключено последовательно. Параллельное сопротивление учитывает потери на гистерезис и вихревые токи в магнитном сердечнике. Это параллельное сопротивление зависит от материала сердечника, рабочей частоты и магнитного потока в сердечнике.

Паразитная емкость появляется в связи с тем, что витки катушки находятся близко друг к другу. Любые два витка провода можно рассмотреть как две обкладки маленького конденсатора. Витки разделяются изолятором, таким как воздух, изоляционный лак, лента или иной изоляционный материал. Относительная диэлектрическая проницаемость материалов, используемых для изоляции, увеличивает емкость обмотки. Чем выше эта проницаемость, тем выше емкость. В некоторых случаях дополнительная емкость может появиться также между катушкой и противовесом, если катушка расположена над ним. На высоких частотах реактивное сопротивление паразитной емкости может быть весьма высоким и игнорировать его нельзя. Для уменьшения паразитной емкости используются различные методы намотки катушек.

Для уменьшения паразитной емкости катушки с высокой добротностью для радиопередатчиков наматывают так, чтобы было достаточно большое расстояние между витками

Если индуктивность большая, то сопротивление обмотки (R_w на схеме) игнорировать уже нельзя. Тем не менее, оно мало по сравнению с реактивным сопротивлением больших катушке на высоких частотах. Однако, на низких частотах и на постоянном токе это сопротивление необходимо учитывать, так как в этих условиях через катушку могут протекать значительные токи.

Катушки индуктивности и обмотки в различных устройствах

что это, как рассчитать, формулы и примеры

Трансформатор, как элемент радиотехники и электротехники, работает на основе электромагнитной индукции. Говоря об индуктивности трансформатора, имеют в виду индуктивность обмоток и взаимоиндукцию между ними.

Каждая из обмоток представляет некоторое количество витков провода, намотанных на ферромагнитный сердечник, то есть обыкновенную катушку индуктивности.

Трудность в определении параметров катушки заключается в том, что они изменяются в зависимости от нескольких параметров и их сочетания:

• токи в обмотках;
• уровень намагниченности магнитопровода;
• магнитные характеристики сердечника;
• взаимодействие между соседними обмотками;
• наличия постоянной составляющей тока.

Конструкция и принцип действия силового трансформатора

В основе конструкции любого трансформатора находятся следующие элементы:

1. Сердечник из ферромагнитного материала.
2. Первичная и вторичные обмотки. В случае автотрансформатора одна обмотка выполняет обе функции.

В сетях переменного тока промышленной частоты (50 или 60Гц) в качестве ферромагнитного материала используется сталь, обработанная по специальной технологии. На высоких частотах часто делаются трансформаторы без сердечника, поскольку для нормальной работы достаточно взаимосвязи межу катушками.

Принцип работы:

• в первичной обмотке, подключенной в цепь питания, создается переменное электрическое поле;
• под действием поля первичной катушки в сердечнике создается переменное магнитное поле;
• в силу электромагнитной индукции во всех обмотках наблюдается ЭДС индукции.

ЭДС индукции в первичной обмотке направлена противоположно поданному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются. В результате, при отсутствии нагрузки через первичную обмотку протекает сравнительно небольшой ток холостого хода.

Наличие тока вторичной цепи аналогично вызывает дополнительный магнитный поток, а он – ЭДС самоиндукции в первичное катушке.

В результате компенсация первичного напряжения снижается и растет ток в первичной цепи.

Физическое понятие индуктивности обмоток

Индуктивность представляет собой коэффициент пропорциональности между током, создаваемым замкнутым электрическим контуром, и магнитным потоком, который создается этим контуром.

Более понятной формулировкой будет та, которая говорит о величине ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре, которая возникает при изменении силы тока за единицу времени. То есть, понятие индуктивности справедливо для изменяющегося тока.

При постоянном токе говорить об индуктивности бессмысленно.

В идеальном трансформаторе все электромагнитное поле, создаваемое обмотками, замкнуто в магнитном сердечнике. В реальных конструкциях существует поле рассеяния, величина которого зависит от способа выполнения катушки и конструктивных особенностей сердечника. Чем больше толщина намотки, тем большая часть электромагнитного поля замыкается вне магнитопровода.

Этому способствует также качество сборки магнитопровода. Зазоры между пластинами способствуют резкому увеличению рассеивания. В связи с этим наилучшими свойствами обладают О-образные сердечники.

Формулы и измерение

Формулы для расчета индуктивности катушек довольно сложны и имеет различный вид для различных типов исполнения обмоток:

• линейный проводник;
• одновитковая катушка;
• плоская катушка;
• соленоидальная обмотка;
• тороидальная форма.

Наибольшие сложности возникают при расчетах многовитковых многослойных катушек, то есть тех, которые составляют обмотку трансформаторов.

В подавляющем большинстве случаев точный расчет невозможен, поэтому приходится использовать примерные данные и уточнять их после проведения измерений.

Формулы  для расчета индуктивности трансформатора основаны на расчетах соленоида:

L=µ_{µN²S/l, где}

µ0 – магнитная постоянная;

µ – магнитная проницаемость сердечника;

N – количество витков;

S – площадь одного витка;

l – длина обмотки.

Для измерения индуктивности существует несколько методик и приборов, созданных на их основе. В большинстве случаев измерение производится путем вычислений индуктивного сопротивления катушки при подаче образцового напряжения заданной частоты и измеренного значения тока через обмотку.

В специализированных приборах вычисления производятся автоматически, и пользователь только считывает показания шкалы прибора, выраженные в единицах индуктивности – Гн, мГн или мкГн.

Как измерить в домашних условиях

Приборы для непосредственного измерения индуктивности имеют высокую стоимость и редко используются в домашних условиях. С приемлемой точностью результаты можно получить, используя обычные приборы для измерения переменного тока: амперметр и вольтметр. Также необходим омметр.

Порядок действий следующий:

1. При помощи омметра определяют активное сопротивление обмотки R.
2. Подключают трансформатор последовательно с амперметром в сеть.
3. Параллельно обмотке подключают вольтметр.
4. По показаниям приборов определяют полное сопротивление трансформатора: Z=U/I
5. Индуктивное сопротивление находят, вычитая из полного сопротивления активное: X_L=Z-R
6. Индуктивность определяется по формуле: L=X_L/(2πf), где π – число пи 3.14, f – частота измерений.

Как правило, активное сопротивление намотки значительно (на несколько порядков) меньше индуктивного, поэтому можно его не учитывать.

Именно поэтому, включение трансформатора в цепь постоянного напряжения вызывает короткое  замыкание. Ток обмотки при этом будет ограничиваться только активным сопротивлением.

Пример расчета

К примеру, требуется рассчитать индуктивность первичной обмотки трансформатора питания. Путем измерений определено:

1. Сопротивление обмотки 3 Ом.
2. Напряжение сети 220 В.
3. Частота питающего напряжения 50 Гц.
4. Ток холостого хода 05 А.

Полное сопротивление:

Z=U/I=220/0. 05=4400 Ом

Активное сопротивление меньше полного в 10000 раз и его можно не учитывать.

Определяем индуктивность:

L=X_L/(2πf) =4400/ (2∙3.14∙50) =14 Гн.

Расчёт катушки индуктивности под динамик

Катушки индуктивности в фильтрах колонок

Добротность катушек, которые я мотаю для кроссоверов в акустику получается выше, чем у заводских, а активное сопротивление, при той же индуктивности – меньше. Звучат они заметно лучше заводских, особенно если их предварительно отслушать и поставить «по направлению».

Добротность у катушек большого диаметра, а я их делаю в виде бубликов – получается выше, чем у намотанных на обычных каркасах от трансформаторов или специальных каркасов для катушек.

Для кроссоверов это – хорошо, т.к. крутизна среза кроссовера с высокодобротными катушками получается более резкой.

Обратите внимание

Что приводит к снижению проникания сигнала в соседнюю полосу, а следовательно – к лучшей фильтрации.

Сами катушки и их каркасы периодически встречаются на радио рынках и барахолках. В СССР было выпущено бессчетное количество колонок S-90, S-50 и S-30. Вот как раз кроссоверы от этих колонок, либо детали от них попадаются довольно часто.

Форм фактор заводских катушек

Практически во всех зарубежных колонках, которые мне доводилось разбирать и переделывать стоят катушки, намотанные на каркасах малого диаметра и большой длины. Для увеличения индуктивности в них, как правило устанавливаются металлические сердечники из обычного прутка или пластин трансформаторной стали либо феррита.

Причина засилья подобных катушек в кроссоверах акустических систем – чисто практическая. Из-за того, что витки провода растянуты по большой длине и находятся на минимальном расстоянии от металлического сердечника, индуктивность катушки, выполненной в «длинном» форм-факторе получается максимально возможной.

При этом из-за малой длины каждого элементарного витка, активное сопротивление такой катушки также – оказывается минимальным. «Вытянутый» конструктив позволяет довольно прилично уменьшить диаметр и, следовательно – сечение необходимого для намотки такой катушки провода, оставаясь в заданных инженерами параметрах индуктивности и активного сопротивления.

Делают катушки в таком форм-факторе исключительно для того, чтобы сэкономить дорогостоящий медный провод.

У «длинных» катушек есть один, но жирный минус – их добротность намного ниже, чем у катушек, намотанных на каркасах большого диаметра. Добротность же – один из ее важнейших параметров, влияющих на крутизну среза звеньев кроссовера и подавление пиков излучения на частотной характеристике динамических головок.

В связи с невысокой добротностью, который показывают такие катушки будучи установленными в кроссоверах, крутизна среза НЧ/СЧ и СЧ/ВЧ звеньев фильтра оказывается недостаточной и на смежные динамические головки проникает сигнал из соседней полосы.

Если не вдаваться в теорию, то получается, то на частоте раздела звеньев кроссовера с малой крутизной спада одновременно играет и одна (например – НЧ) и вторая, смежная с ней головка (например – СЧ) головка.

Такая синфазная работа двух головок на каком-то определенном участке частотного диапазона создает хорошо различаемую на слух интерференцию и дополнительные искажения.

Сердечники в катушках

В большинстве заводских катушек, применяемых для кроссоверов установлены ферромагнитные сердечники из пластин трансформатороной стали, или ферритовых стержней.

Иногда встречаются катушки, намотанные на ферритовых каркасах, выполненных в форме цилиндра со щечками.

Любой ферромагнетик, будучи введенным в катушку повышает ее индуктивность, а следовательно – для сохранения расчетных параметров, позволяет уменьшить витки и массу дорогостоящего медного провода.

Важно

К большому сожалению, ферромагнитные материалы в катушках на звук влияют ВСЕГДА отрицательно.

Так, железные сердечники, при больших уровнях сигнала и соотвесттвенно – громкости, нередко входят в насыщение, что приводит к резкому росту искажений, вносимых катушкой.

Хотя, казалось бы, катушка индуктивности это пассивный и теоретически – линейный элемент, откуда у него могут возникнуть искажения, свойственные скорее полупроводниковым приборам?

Я больше десяти раз проводил натурные эксперименты, когда в работающей колонке «по-горячему» менялись две катушки с одинаковой индуктивностью, одна с ферромагнитным сердечником, вторая – воздушная.

И всегда это приводило к однозначному результату. При замене воздушной катушки на катушку с сердечником в звуке появлялись «синтетические» или «железные» нотки и заметные на слух искажения.

Это слышали на 100 % все, кто вместе со мной проводил эксперименты.

При высокой добротности у катушки легче убрать «горбы» на АЧХ путем установки т.н. вырезного фильтра параллельно головке. Вырезной фильтр, это включенные последовательно конденсатор, катушка и резистор.

Чем выше добротность катушки, тем больший номинал резистора можно поставить и тем меньше влияние вырезного фильтра на остальную АЧХ головки + цепь коррекции. Добротность, это отношение между реактивным и активным сопротивлением катушки Q = w L/R пот.

Наматывая индуктивности более толстым проводом, чем у штатных я уменьшаю их активное сопротивление, в итоге добротность катушек – возрастает.

 «Двойки» катушек испытывались в НЧ и СЧ звеньях кроссовера и ставились последовательно с динамическими головками.

Как я мотаю катушки

Я мотаю катушки для колонок самодельным литцендратом из 4-8 проводов диаметром 0,7-0,9 мм. Сначала все считал… Точно рассчитать количество витков у меня никогда получается.

В итоге, мотаю на глаз, благо за свою жизнь сделал тысячи катушек и примерно знаю, какая будет индуктивность. Делаю так. Сначала мотаю пробную катушку одиночным проводом, и довожу ее индуктивность до требуемого номинала.

Затем доматываю еще 15–20 % витков.

Далее, мотаю на несколько специальных оправок, такое же количество витков, как у пробной катушки. Если финальная катушка должна состоять из 6 проводов, тогда мотаю еще пять, если из 4-х, еще три и т.д.

Совет

Количество изолированных моножил, которыми мотается итоговая катушка зависит от того, где она будет стоять. Если катушка нужна для включения последовательно с НЧ головкой, количество жил 6-8 штук, диаметр каждой 0,7-0,9 мм.

Итоговое сечение: 3-4 кв.мм.

Приведу пример:

Вчера мотал две катушки для полочных колонок ProAc Studio 115, в каждую заложил по 6 жил диаметром 0,8 мм. Итоговое сечение провода 3 кв.мм. кол-во витков 200, индуктивность 2,5 мГн, сопротивление постоянному току 0,4 Ома. Диаметр катушки 140 мм, высота 50 мм, вес 2 Кг.

НЧ катушки можно мотать моно жилой большого диаметра, а вот катушки, стоящие последовательно с СЧ или СЧ/НЧ головкой, намного лучше играют, если они намотаны вот таким самодельным литцендратом.

Из-за большей площади поверхности нескольких изолированных друг от друга проводников, чем у такой же по сечению моножилы, литцендрат намного лучше пропускает ВЧ сигнал чем одиночный провод.

Хотя НЧ катушка и призвана к тому, чтобы высокие от басовой головки отрезать, многожильные катушки играют на слух легче и воздушнее и это – факт.

Намотав катушку, зачищаю (не обрывая) 4-8 проводов с двух сторон, скручиваю плоскогубцами и измеряю, что получилось. Индуктивность намотанной «литцендратом» катушки с 15-20 % превышением витков над пробной «моножильной», как правило оказывается чуть больше искомой.

Далее, снимаю катушку с оправки и стягиваю ее 4-мя нейлоновыми хомутами. Получается довольно плотный «бублик» круглого, либо близкого к круглому сечения. Опять измеряю – индуктивность чуть возросла. Уминаю бублик на полу своим весом, а он 100 кг…

Надо худеть! Индуктивность еще возросла. После этого отматываю 5-7 витков и не обрезая «литцендратный хвост», опять измеряю. Так довожу индуктивность катушки до искомой величины.

Обратите внимание

После чего – обрезаю хвост, зачищаю его, а саму катушку в 2-3 слоя обматываю изолентой хорошего качества, прямо с нейлоновыми хомутами.

Если нужно соблюсти точность в 1-2 %, что случается редко – не обрезанным «хвостом» корректирую индуктивность, намотав пару витков в том же (для увеличения) или в противоположном (для уменьшения) направлении.

Преимущества такого способа намотки: Катушки выполненные по описанной технологии получаются относительно большого диаметра и малой толщины с почти тороидальным (в разрезе) сечением.

Добротность катушек большого диаметра выше, чем намотанных на квадратных либо прямоугольных каркасах от трансформаторов, а сопротивление из-за тороидальной формы разреза катушки и круглой формы самой катушки – меньше.

Литцендрат для намотки НЧ, да и любых других катушек дает еще один «жирный» бонус: Для подключения динамиков и клемм к кроссоверам, с ним отпадает надобность в каких-то мягких проводах с непонятными акустическими свойствами.

К примеру – литцендрат НЧ катушки колонок ProAc Studio 115 (из 6-ти моножил по 0,8 мм) получился настолько мягким, что его без боязни механического обрыва, удалось подпаять к лепесткам динамика и входным терминалам. Внутри колонки создается весьма высокое давление и соответственно – вибрации.

В таких условиях распаивать лепестки динамика жесткой моножилой – получим риск обрыва. Ну и второй бонус – нет лишних проводов, значит нет 4-х лишних паек между ними, динамиками, катушками и входными терминалами.

Все вышеперечисленное благотворно влияет на звук, в чем я убеждался не один десяток раз.

Крепить катушку большого диаметра и малой толщины – просто. Я фиксирую ее к плате из текстолита при помощи 4-х нейлоновых хомутов.

Если катушку нужно установить вертикально, то креплю ее между двумя пластинами стеклотекстолита при помощи 2-х хомутов к нижней пластине и 2-х к верхней. Сами пластины стягиваю болтами М-4.

Получается очень жесткая двух-платная конструкция фильтра, в которой катушки можно расположить перпендикулярно друг другу, а значит – снизить их взаимное влияние.

Инструкция по намотке для коллег

Берете любую оправку, в данный момент я применяю оправки из бутылок для фанты или минеральной воды – и мотаете на ней пробную катушку. Я приноровился уже и примерно знаю, какое кол-во витков нужно намотать для того, чтобы получить нужную индуктивность. Могу потом составить таблицу. Намотав пробную катушку не снимая ее с оправки, измеряете получившуюся индуктивность.

С начала провода делаете полную зачистку кончика, а там где получился теоретический конец, соскабливаете лак с одной стороны (провод при этом не обрезаете). Если индуктивности мало, обматываете поврежденный участок кусочком изоленты и доматываете какое-то кол-во витков, после чего провод обрезаете. Витки при намотке пробной катушки естественно считаете.

После этого берете вторую оправку (бутылку) и наматываете на нее такое же кол во витков, ну и еще два-шесть раз повторяете такое же действие. У вас получается 4-10 оправок с намотанными катушками в одну сторону.

Важно

Потом кладете все эти оправки в несколько картонных коробок на пол, оттягиваете от каждой оправки по кончику провода, соединяете их в пучок и наматываете общую катушку из 4-10 жил. Ваши оправки (бутылки) в лежачем положении и в коробках, никуда не укатываются и провод на них не путается.

У получившейся катушки из пучка индуктивность относительно одиночной катушки падает процентов на 10-20 не больше, не зависимо от количества проводов в пучке. Допустим, вы намотали на пробную катушку 150-170 витков провода 0,6-0,9 мм в диаметре и получили индуктивность в 1,3 мГн. После этого сделали еще 4 таких же катушки на бутылках.

Потом все провода перемотали на одну общую оправку. Диаметр этой катушки из-за увеличившего сечения провода – вырос, длина каждого витка увеличилась, а кол-во витков естественно – уменьшилось. У вас в итоге получилось уже не 150-170, а 120-130 витков. И как итог – индуктивность вашей катушки упала с 1,3 мГн до 1,0-1,1 мГн. Да и еще, подмеченная особенность.

Индуктивность катушки зависит от кол-ва витков не линейно, а геометрически. начиная с 120-200 витков индуктивность прирастает очень быстро и для домотки недобранного номинала при таком кол-ве витков требуется лишь 5-15 дополнительных, чтобы базовая индуктивность возросла на 10-15 %. Никакого удвоения или ушестерения падения индуктивности не происходит.

Хотя по теории, в катушке, намотанной пучком проводов получается несколько одиночных (по количеству жил) катушек, соединенных параллельно. Индуктивность катушки, намотанной одиночным проводом практически совпадает с индуктивностью катушки, намотанной пучком изолированных друг от друга проводов и зависит только от количества витков. Вот такая история…

В будущем хочу сделать специальные разборные оправки под катушки разного диаметра и толщины. Это не так просто поскольку требует специальных проточек (4-х) для заведения стягивающих нейлоновых хомутов.

Плюс оправки должны быть выполнены из немагнитного материала, желательно вообще их сделать не из металла, а например из: текстолита, эбонита, винипласта и т. д. Стягивать половинки такой оправки нужно немагнитными болтиками и гайками (из титана, дюраля или латуни).

Совет

 На сегодня я намотал за полтора года катушек 500-600 если не больше. Хочу заказать сначала один разборной каркас, попробую его в работе, скорректирую и потом уже закажу разные. Мне нужно, чтобы он состоял из двух половин, и на нем можно было мотать катушку формы тороида в сечении.

На каркасе должны быть плоские проточки для стяжки катушки хомутами и при этом, чтобы когда каркас разъединялся, хомуты оставались на самом бублике с проводом. Короче, та еще задача.

Ноу хау от практика

Andrey Polischuk = У Вас есть нереализованный потенциал, если Вам это пригодится, то прекрасно. Я сам проектировал пассивные фильтры, и неоднократно применял следующее:

Часто пищалки имеют отдачу (чувствительность) на несколько дБ (иногда более десяти) больше, чем СЧ/НЧ динамики. Этот запас используется для коррекции АЧХ, а избыток отдачи ВЧ головки гасится резистивным делителем.

Резисторы здесь нужны качественные, из немагнитных сплавов, иначе на высоких частотах возникнут искажения.

Даже чистые сплавы, из которых делаются устанавливаемые в цепь пищалки резисторы содержат примеси железа, и пусть немного, но – искажают.

Однажды я подумал, а что, если сделать катушку с отводом, как автотрансформатор? Многие эту фишку пробовали, и я не изобретатель. Из минусов – самый верх с пищалки снять не удастся, из-за включенной с ней последовательной индуктивности.

Тут помогает трансформатор на длинной линии. Это и есть катушка, намотанная в несколько проводов, у которой полоса рабочих частот простирается до мегагерц.

Например, нам для фильтра нужна катушка в 100 витков, и резистивный делитель на 6 дБ. Самый удобный случай: Берём два провода, мотаем 50 витков и соединяем секции последовательно, к отводу – пищалку, или конденсатор компенсации и пищалку… Вуаля! Имеем фильтр плюс ослабление – 6 дБ без резисторов.

Я делал двух, трёх, и даже четырёхзаходные катушки, в зависимости от необходимого затухания. Этот метод особенно эффективен для мощных рупорных драйверов в сотни ватт.

Обратите внимание

Спасибо за подсказку, я попробую, еще бы нормально платили за такие апгрейды, было бы вообще хорошо. Резисторы для ВЧ и СЧ секций кроссоверов я последнее время мотаю из константана, складывая его вдвое для компенсации паразитной индуктивности. Играют они намного лучше, чем наши проволочные с5-5, с5-16 и с5-37, и не в пример лучше китайских цементно-керамических.

Пока что моё открытие, это симбиоз катушки и резистора в одной детали и самодельные низкоомные без индукционные резисторы из константановой проволоки диаметром 0,9 мм.

Поделюсь наработанным опытом по намотке бестрансформаторных катушек. Все расчеты, которые есть в интернете – приблизительные и мне не подошли, как я ни считал. В итоге лучше всего звучат (действительно лучше) катушки, намотанные интуитивно по приблизительным подсчетам. Я сейчас все катушки мотаю не моножилой, а маложильным литцендратом.

Они звучат лучше даже в НЧ звене кроссовера басовых динамиков и это при частоте обреза 150-300 Гц. Причину не понимаю… Делал в виде эксперимента пару раз по две катушки одинакового диаметра и с одинаковым сечением провода, намотанные, одну – моножилой, вторую – литцендратом. Колонка с литцендратом в НЧ звене фильтра звучит быстрее, динамичнее и ярче на басах.

Низ у нее получается очень упругим. Наматываю я такие катушки “на глазок”, потом измеряю индуктивность и либо доматываю до десяти витков, либо отматываю. Короче, сейчас уже имею опыт и мотаю все катушки на глаз, и только потом немного корректирую кол-во витков. Не имею ни одного отрицательного отзыва от людей, которым я это делал.

Подобные катушки в СЧ и ВЧ звеньях кроссоверов звучат еще лучше.

Ссылки по теме +

Источник: http://aovox.com/creativework/652

Конвертер величин

На рисунке выше показана однослойная катушка индуктивности: Dc — диаметр катушки, D — диаметр оправки или каркаса катушки, p — шаг намотки катушки, d — диаметр провода без изоляции и di — диаметр провода с изоляцией

Для расчета индуктивности LS применяется приведенная ниже формула из статьи Р. Уивера (R. Weaver) Численные методы расчета индуктивности:

Здесь

D — диаметр оправки или каркаса катушки в см,

l — длина катушки в см,

N — число витков и

L — индуктивность в мкГн.

Эта формула справедлива только для соленоида, намотанного плоским проводом. Это означает, что катушка намотана очень тонкой лентой без зазора между соседними витками. Она является хорошим приближением для катушек с большим количеством витков, намотанных проводом круглого сечения с минимальным зазором между витками.

Американский физик Эдвард Беннетт Роса (Edward Bennett Rosa, 1873–1921) работавший в Национального бюро стандартов США (NBS, сейчас называется Национальное бюро стандартов и технологий (NIST) разработал так называемые корректирующие коэффициенты для приведенной выше формулы в форме (см. формула 10.1 в статье Дэвида Найта, David W.

Knight):

Здесь LS — индуктивность плоской спирали, описанная выше, и

Важно

где ks — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу между самоиндукцией витка из круглого провода и витка из плоской ленты; km — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу в полной взаимоиндукции витков из круглого провода по сравнению с витками из плоской ленты; Dc — диаметр катушки в см, измеренный между центрами проводов и N — число витков.

Величина коэффициента Роса km определяется по формуле 10.18 в упомянутой выше статье Дэвида Найта:

Коэффициент Роса ks, учитывающий различие в самоиндукции, определяется по формуле 10.4 в статье Д. Найта:

Здесь p — шаг намотки (расстояние между витками, измеренное по центрам проводов) и d — диаметр провода. Отметим, что отношение p/d всегда больше единицы, так как толщина изоляции провода конечна, а минимально возможное расстояние между двумя соседними витками с очень тонкой изоляцией, расположенными без зазора, равна диаметру провода d.

На индуктивность катушки влияют несколько факторов.

• Количество витков. Катушка с большим количеством витков имеет бóльшую индуктивность по сравнению с катушкой с меньшим количеством витков.
• Длина намотки. Две катушки с одинаковым количеством витков, но разной длиной намотки имеют разную индуктивность. Более длинная катушка имеет меньшую индуктивность. Это связано с тем, что магнитное поле менее компактной катушки более слабое и оно не может хорошо концентрироваться в растянутой катушке.
• Диаметр катушки. Две плотно намотанные катушки с одинаковым количеством витков и разными диаметрами имеют разную индуктивность. Катушка с бóльшим диаметром имеет бóльшую индуктивность.
• Сердечник. Для увеличения индуктивности в катушку часто вставляется сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Сердечники с более высокой магнитной проницаемостью позволяют получить более высокую индуктивность. Сердечники, изготовленные из магнитной керамики — феррита, часто используются в катушках и трансформаторах различных электронных устройств, так как у них очень низкие потери на вихревые токи.

Упрощенная эквивалентная схема реальной катушки индуктивности: Rw — сопротивление обмотки и ее выводов; L — индуктивность идеальной катушки; Rl — сопротивление вследствие потерь в сердечнике; и Cw — паразитная емкость катушки и ее выводов.

В этом калькуляторе мы рассматривали идеальную катушку индуктивности. В то же время, в реальной жизни таких катушке не бывает. Катушки обычно конструируются с минимальными размерами таким образом, чтобы они помещались в миниатюрное устройство.

Любую реальную катушку индуктивности можно представить в виде идеальной индуктивности, к которой параллельно подключены емкость и сопротивление, а еще одно сопротивление подключено последовательно. Параллельное сопротивление учитывает потери на гистерезис и вихревые токи в магнитном сердечнике.

Это параллельное сопротивление зависит от материала сердечника, рабочей частоты и магнитного потока в сердечнике.

Паразитная емкость появляется в связи с тем, что витки катушки находятся близко друг к другу. Любые два витка провода можно рассмотреть как две обкладки маленького конденсатора. Витки разделяются изолятором, таким как воздух, изоляционный лак, лента или иной изоляционный материал.

Относительная диэлектрическая проницаемость материалов, используемых для изоляции, увеличивает емкость обмотки. Чем выше эта проницаемость, тем выше емкость. В некоторых случаях дополнительная емкость может появиться также между катушкой и противовесом, если катушка расположена над ним.

На высоких частотах реактивное сопротивление паразитной емкости может быть весьма высоким и игнорировать его нельзя. Для уменьшения паразитной емкости используются различные методы намотки катушек.

Совет

Для уменьшения паразитной емкости катушки с высокой добротностью для радиопередатчиков наматывают так, чтобы было достаточно большое расстояние между витками

Если индуктивность большая, то сопротивление обмотки (Rw на схеме) игнорировать уже нельзя. Тем не менее, оно мало по сравнению с реактивным сопротивлением больших катушке на высоких частотах. Однако, на низких частотах и на постоянном токе это сопротивление необходимо учитывать, так как в этих условиях через катушку могут протекать значительные токи.

Катушки индуктивности и обмотки в различных устройствах

Источник: https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru/calculator/coil-inductance/

Расчет катушки индуктивности

Главная > Теория > Расчет катушки индуктивности

Катушки индуктивности предназначены для фильтрации токов высокой частоты. Они устанавливаются в колебательных контурах и используются для других целей в электрических и электронных схемах.

Готовое устройство заводского изготовления надёжнее в работе, но дороже, чем изготовленное своими руками. Кроме того, не всегда удаётся приобрести элемент с необходимыми характеристиками.

В этом случае расчёт катушки  индуктивности и само устройство можно сделать самостоятельно.

Устройство катушки индуктивности

Конструкция катушки

Каркас устройства изготавливается из диэлектрика. Это может быть тонкий (нефольгированный) гетинакс, текстолит, а на тороидальных сердечниках –просто обмотка из лакоткани или аналогичного материала.

Обмотка выполняется из одножильного или многожильного изолированного провода.

Внутрь обмотки вставляется сердечник. Он изготавливается из железа, трансформаторной стали, феррита и других материалов. Он может быть замкнутым, тороидальным (бублик), квадратным или незамкнутым (стержень). Выбор материала зависит от условий работы: частоты, магнитного потока и других параметров.

Кроме того, есть приборы, в которых сердечник отсутствует. Они характеризуются большой линейностью импеданса, но при намотке тороидальной формы обладают паразитной ёмкостью.

Расчет параметров катушки индуктивности

Протекающий по проводу электрический ток создаёт вокруг него электромагнитное поле. Соотношение величины поля к силе тока называется индуктивностью. Если провод свернуть кольцом или намотать на каркас, то получится катушка индуктивности. Её параметры рассчитывают по определённым формулам.

Расчёт индуктивности прямого провода

Индуктивность прямого стержня – 1-2мкГн на метр. Она зависит от его диаметра. Точнее можно рассчитать по формуле:

L=0.2l(logl/d-1), где:

• d – диаметр провода,
• l – длина провода.

Эти величины нужно измерять в метрах (м). При этом результат будет иметь размерность микрогенри (мкГн). Вместо натурального логарифма ln допустимо использовать десятичный lg, который в 2,3 раза меньше.

Предположим, что какая-то деталь подключена проводами длиной 4 см и диаметром 0,4 мм. Произведя при помощи калькулятора расчет по выше приведённой формуле, получаем, что индуктивность каждого из этих проводов составит (округлённо) 0,03 мкГн, а двух – 0,06 мкГн.

Ёмкость монтажа составляет порядка 4,5пФ. При этом резонансная частота получившегося контура составит 300 МГц. Это диапазон УКВ.

Важно! Поэтому при монтаже устройств, работающих в частотах УКВ, длину выводов деталей нужно делать минимальной.

Расчёт однослойной намотки

Для увеличения индуктивности провод сворачивается кольцом. Величина магнитного потока внутри кольца выше примерно в три раза. Рассчитать её можно при помощи следующего выражения:

L = 0,27D(ln8D/d-2), где D – диаметр кольца, измеренный в метрах.

При увеличении количества витков индуктивность продолжает расти. При этом индукция отдельных витков влияет на соседние, поэтому получившиеся параметры пропорциональны не количеству витков N, а их квадрату.

Однослойная намотка

Дроссель с сердечником

Параметры обмотки, намотанной на каркас, диаметром намного меньше длины рассчитывается по формуле:

L=*0*N2*S.

Она справедлива для устройства большой длины или большого тора.

Размерность в ней дана в метрах (м) и генри (Гн). Здесь:

• 0 = 4•10-7 Гн/м – магнитная константа,
• S = D2/4 – площадь поперечного сечения обмотки, магнитная проницаемость магнитопровода, которая меньше проницаемости самого материала и учитывает длину сердечника; в разомкнутой конструкции она намного меньше, чем у материала.

Например, если стержень антенны изготовить из феррита с проницаемостью 600 (марки 600НН), то у получившегося изделия она будет равна 150. При отсутствии магнитного сердечника = 1.

Для того чтобы использовать это выражение для расчёта обмоток, намотанных на тороидальном сердечнике, его необходимо измерять по средней линии «бублика». При расчёте обмоток, намотанных на железе Ш-образной формы без воздушного зазора, длину пути магнитного потока измеряют по средней линии сердечника.

Катушка с Ш-образным сердечником

В расчёте диаметр провода не учитывается, поэтому в низкочастотных конструкциях сечение провода выбирается по таблицам, исходя из допустимого нагрева проводника.

В высокочастотных устройствах, так же как и в остальных, стремятся свести омическое сопротивление к минимуму для достижения максимальной добротности прибора. Простое повышение сечения провода не помогает.

Это приводит к необходимости наматывать обмотку в несколько слоёв. Но ток ВЧ идёт преимущественно по поверхности, что приводит к увеличению сопротивления.

Добротность в высокочастотных элементах растёт вместе с увеличением всех размеров: длины и диаметров обмотки и провода.

Максимальная добротность получается в короткой обмотке большого диаметра, с соотношением диаметр/длина, равным 2,5. Параметры такого устройства вычисляются по формуле:

L=0.08D2N2/(3D+9b+10c).

Обратите внимание

В этой формуле все параметры измеряются в сантиметрах (см), а результат получается в микрогенри (мкГн).

По этой формуле рассчитывается также плоская катушка. Диаметр «D» измеряется по среднему витку, а длина «l» по ширине:

l=Dmax-Dmin.

Плоская катушка

Многослойная намотка

Многослойная намотка без сердечника вычисляется по формуле:

L=0.08D2N2/(3D+9b+10c).

Размеры здесь измеряются в сантиметрах (см), а результат получается в микрогенри (мкГн).

Добротность такого устройства зависит от способа намотки:

• обычная плотная намотка – самая плохая, не более 30-50;
• внавал и универсал;
• «сотовая».

Многослойная катушка

Для увеличения добротности при частоте до 10 мГц вместо обычного, одножильного провода, можно взять литцендрат или посеребренный проводник.

Справка. Литцендрат – это провод, скрученный из большого количества тонких изолированных друг от друга жил.

Литцендрат имеет большую поверхность, по сравнению с одножильным проводником того же сечения, поэтому на высоких частотах его сопротивление ниже.

Использование сердечника в высокочастотных устройствах повышает индуктивность и добротность катушки. Особенно большой эффект даёт использование замкнутых сердечников. При этом добротность дросселя зависит не от активного сопротивления провода, а от проницаемости магнитопровода. Рассчитывается такой прибор по обычным формулам для низкочастотных устройств.

Сделать катушку или дроссель можно самостоятельно. Перед тем, как её изготавливать, необходимо рассчитать индуктивность катушки по формулам или при помощи онлайн-калькулятора.

Видео

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/raschet-katushki-induktivnosti.html

Теоретический вопрос- индуктивность динамика – Автозвук во всех его проявлениях

Отправлено 10 Август 2010 – 07:25

Понадобилось мне померить индуктивность звуковой катушки динамика.Есть мультиметр с функцией измерения L и C-но этот простой путь не подошел-он меряет на частоте 100Гц (да еще меандром-что даст спектр гармоник до радиодиапазона-он пищит при подключению к мультиметру на слух что-то вроде 1 кгц), это рядом с резонансной частотой- должен выдать цены на дрова этой зимой.

Не вопрос- померим полный импеданс где-нибудь на 500-1000 гц и из нее вычтем сопртивление постоянному току насколько себе представляю эквивалентную модель динамика- это последовательно соединенные Re,катушка индуктивности с нулевым омическим сопротивлением и параллельный колебательный контур -эквивалент мех. резонанса. Если меряем вдали от Fs-последний отбрасывается.

Но- открываю справочник- например здесь http://www.gelezo.co…enniiy_tok.html и вижу -надо активное и индуктивное сопротивления складывать как среднее геометрическое. Это противоречит оставшимся в голове следам институтского курса ТОЭ,для контроля открываю книжку Виноградовой в части измерения параметров динамиков- там тоже используется простое сложение .

Как быть?

Отправлено 10 Август 2010 – 07:55

ах, ну да, это ж “себе”..а почему бы не померить так, как это все делают? в чём проблема?! (всех устраивает – а его не устраивает…)

Отправлено 10 Август 2010 – 07:59

Важно

Всё намного проще. Компьютер у тебя есть, скачай программу SpeakerWorkShop. Используй “коробочку” из пяти деталей и грузик 10-20 граммов.

Программа выдаст тебе ВСЕ параметры эквивалентной модели твоего динамика и нарисует аппроксимированную Z-характеристику. Можно сразу посмотреть, как индуктивность динамика влияет на увеличение сопротивления на высоких частотах.

ЗЫ здесь сразу можно подкинуть цепочку Цобеля и увидеть, подходит ли она динамику.

Отправлено 10 Август 2010 – 09:27

Ребята, спасибо за советы-но вопрос-то теоретический- сталкиваются два взаимно противоречивых утверждения- Re и XL складываем арифметически или геометрически? Помимо Цобеля, хочу еще и элементами кроссовера поиграццо.

Отправлено 10 Август 2010 – 11:28

Вы в институте полное сопротивление считали иначе?

Отправлено 10 Август 2010 – 17:19

Эх , недоучился я в свое время в институте…

Отправлено 11 Август 2010 – 20:13

Просто тема какая-то… бесперспективная. Ну, измерите вы индуктивность излучателя и – что? Если боитесь, что она попадет в рабочую полосу воспроизводимых (динамиком) частот и подпортит АЧХ с кроссом на пАру, то поверьте, для этого очень придется постараться.

В остальных же случаях знание величины индуктивности излучателя не более полезно, чем знать, что у этого человека врожденное косоглазхие, а у этого – врожденная хромота. С этим живут, это НЕЛЬЗЯ ИЗМЕНИТЬ, а нужно просто смириться.

А если это нужно вам для расчета цобеля, то еще один совет (уж положитесь на многолетнюю практику): от цобеля по жизни еще НИ ОДИН динамик лучше не запел. Просто убьете динамику во имя выпрямления импедансной кривой, да еще время на замеры-расчеты потеряете. Малоактуальная темка, уж извините.

Вот, лучше вам бородатого в тему, задумайтесь:
… Шерлок Холмс и доктор Ватсон заблудились в тумане, путешествуя на воздушном шаре. Когда туман немного рассеялся, а шар опустился ниже, они увидели поле, а на нем человека.- Простите, сэр, вы не подскажите, где мы находимся? – спросил Холмс.

– В небе… – ответил человек.

– Видите, Ватсон, это был математик: его ответ столь же точен, сколь БЕСПОЛЕЗЕН, – сказал Холмс.

Отправлено 11 Август 2010 – 20:32

Василий, Вы привыкли оперировать домашними системами, а тут речь идет об автомобильных, поэтому цобель – меньшее из зол, хотя бы исходя из того, что он может быть не просто цобель:

http://cxem.net/soun…cs/dinamic9.php

Совет

в полемику с Вами постараюсь не вступать, каждый из нас останется при своем мнении, даже если Ваше правильное

p.s. извините, не удержусь: расскажите пожалуйста, чем с точки зрения “убивания динамики” цобель отличается от фильтров высоких (2-й и выше) порядков? ведь и в ФНЧ 2-го (и выше) порядка и в цобеле конденсатор в параллель катушке динамику, а ведь именно конденсатор и мажет фронт импульса, убивая динамику, не так ли?с уважением, Вадим

Отправлено 11 Август 2010 – 22:43

Что-то не врубаюсь… Это автомобильный форум? Дык и я акустику car audio имел в виду. Эспэшелли фор ю такими буковками на Ваши глаза наехал.
А не расскажу!Можете ликовать: позорно убЁг от ответа. Здесь (и от флейма заодно). А вот в гости заглянете, я злопамятный, там обстоятельно побеседуем.

И схемки АС кое-какие (секретные, здесь нельзя – от именитых производителей) покажу. Посмотрите, как они к цобелю относятся, на какие частоты его считают и для чего ставят (если ставят вообще). А если найдется свободное время, попробуйте такой несложный эксперимент: сваяйте два полосовых (для СЧ-динамика) фильтра.

Один классический – последовательный L-C, а второй просто C-C, когда один конденсатор последовательно с динамиком (HPF), а второй параллельно динамику (LPF).

А теперь вопрос: сравнив звучание среднечастотника с этими двумя (одинаковыми по полосе пропускания, считаются легко, времени занимают мало) фильтрами, скажите пожалуйста, почему с фильтром C-C так сильно упала динамика?(может, и на цобеля тогда другим глазом взглянете?)С уважением,Василий.

Отправлено 12 Август 2010 – 04:12

“просто С-С” это не фильтр, а емкостная нагрузка для усилителя, на которую он (усилитель) может отреагировать возбуждением, и каким образом у этих цепочек (L-C и C-C) будет одинаковая АЧХ чтобы их сравнивать?По поводу цобеля приведу собственную цитату: “Цепь цобеля это еще и резистор последовательно с конденсатором, поэтому в отличие от фильтра второго порядка конденсатора включенного параллельно головке нет – значит цобель не мешает измениться напряжению на клеммах головки скачком ( я надеюсь Вы знаете один из законов коммутации – напряжение на емкости, как и ток через индуктивность не могут измениться мгновенно)”

из ветки FAQ не помог….фриайр, которая, надеюсь, будет интересна топикстартеру.

Отправлено 12 Август 2010 – 05:51

БМ всегда был форумом по звуку с уклоном в сторону звука в автомобиле, и Вы это прекрасно знаете, не лукавьте.в схематехнике кроссов АС нет никаких секретов, все уже давным давно придумано, понимание, расчеты и измерения – ключ к успеху.

цобель, которого использовал я – очень далек от расчетного, рассказаьть вам на какие частоты я его применял?неужели Вы считаете, что я не пробовал С-С?если не хотите отвечать про цобеля, ответьте, чем С-С отличается от ФНЧ в котором L и С и при этом С в параллель динамику? тоже не хотите отвечать?тогда я: любой ФНЧ высоких порядков убивает динамику.

при этом будет там потом цобель или не будет – уже не важно, динамики уже нет

а по Вашему выходит, что использовать фильтры высоких порядков это благо, а цобель значит ни-ни?

Отправлено 12 Август 2010 – 12:00

С катушками, емкостями и прочими активами для пассива и действительно можно играть по-всякому, например так- http://www.avtozvuk….008/01/084.html, я и точно хотел сделать цобеля без выкрутасов, но убедившись, что мультиметр не помощник, сунулся в формулы и увидел неувязочку.

Обратите внимание

Разглядывая АЧХ разных акустик, у многих видел характерные выбросы слегка выше частоты раздела- вот и решил допросить с пристрастием. Теория и практика-не всегда одно и то же, в теории, чтобы летать, достаточно просто махать руками, а на практике проще построить самолет.

Отправлено 12 Август 2010 – 15:33

Эээ… приходится с небес до уровня маслопупов опускаться…Да фильтр это, самый настоящий фильтр первого порядка, с крутизной спада 6 дБ/окт. Учите матчасть.
Точно вам говорю: учите матчасть.

Отправлено 12 Август 2010 – 15:46

“Заметьте! Не я первым начал!”:D(с) к/ф “Покровские ворота”

А теперь посмотрите, кто меня упрекнул в “домашнем” уклоне, хотя я вел беседу (вот такими буквами!) ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО об автомобильной акустике.

Ошибаетесь, есть. Потому-то серьезные разработчики и держат свои схемы и расчеты в секрете. Не будь это – из прЫнципа выложил бы здесь один кроссик и ткнул бы Вас в него.
Не надо, верю и очень рад этим Вашим словам: сам хотел при встрече показать подобные примеры.
Угу. Приедете – покажу наличие динамики в фильтрах 4 порядка. Если не приедете – придется бросать клич на форуме, что-то вроде: “Ау, отзовитесь те, кто бывал у меня и слушал мою акустику! Скажите уважаемому vvv, была там динамика, аль нет?!”:DНу, как-то так…С уважением,Василий.

Отправлено 12 Август 2010 – 19:24

ок, договорились, Вы правыабсолютно все цепи и сочетания в любых сочетаний R, C и L известны. вопрос лишь в месте применения.я очень плотно увлекался этим вопросом, выводы сделал.да я верю, что покажете.

на форуме есть человек, который был у Вас дома и слушал мою автомобильную систему, с цобелями(в том числе), можете у него спросить, была ли там динамика.

продемонстрировать, к сожалению, не могу, может быть в след. авто.с Уважением,Вадим

Отправлено 12 Август 2010 – 23:31

Василий, помница цитата звучит иначе – “Заметьте! Не я это предложил!”(с) к/ф “Покровские воротаэто в сцене, когда Мюллерупредложили опрокинуть по рюмашке
Не всё очевидное по теории, верно на практике если применять в слепую….

Отправлено 13 Август 2010 – 11:56

Уели, FIL!Сдаюсь, стою с поднятыми руками и покрасневшим лицом!

Отправлено 13 Август 2010 – 18:27

И есть так же тот, кто не были у Василия, но слышали динамику в твоем авто с цобелями.А позже повторил и в своем с ними же. За что – спасибо!ПОМНИ!!! ГОРДИСЬ!!! ЦЕНИ!!!

Источник: http://www.bluesmobil.ru/board/showthread.php?t=34543

Расчёт и намотка катушки динамика

Как отремонтировать динамик самому? FAQ Часть5

В этой части руководства речь пойдёт о расчёте и намотке катушки громкоговорителя.

Навигация по FAQ-у.

Страницы 1 2 3 4 5 6 7 8

Как рассчитать диаметр провода при перемотке динамика?

Подобный расчёт может понадобиться тогда, когда Вам в руки попал уже разобранный динамик, из которого удалили катушку, а исходный диаметр провода неизвестен.

Также, в некоторых случаях, может понадобиться изменить сопротивление динамика. Например, динамики 25ГДН-3, 35ГДН-1 и 75ГДН-1(3) выпускались с сопротивлением как 4 Ома, так и 8 Ом.

Пригодиться это даже тогда, когда утрачена не только катушка, но и гильза. Тогда можно принять длину катушки в полтора раза больше толщины переднего фланца.

Данная формула позволяет рассчитать диаметр медного провода для намотки двухслойной катушки виток к витку. Нужно только учитывать, что в технических данных динамиков, указывается сопротивление не постоянному, а переменному току, измеренное на частоте 1000Гц, если не указано другое. Поэтому в формулу лучше сразу подставить величину сопротивления на 10-15% меньше паспортной.

d = ³√ (14*10-5 * L * D / R)

D – внешний диаметр гильзы в мм.

L – длина катушки в мм.

R – требуемое сопротивление катушки постоянному току.

d – диаметр медного провода без изоляции.

Эта же формула для алюминиевого провода:

d = ³√ (22*10-5 * L * D / R)

Пример расчёта диаметра медного провода.

Исходные данные.

Длина катушки (L) – 20мм.

Диаметр гильзы (D) – 25мм.

Сопротивление (R) – 3,6 Ом.

d = ³√ (14*10-5 * 20 * 25 / 3,6) ≈ 0,27(мм).

Как измерить с высокой точностью диаметр провода, не имея микрометра, описано здесь.

Вернуться наверх к “Навигации”.

Как намотать катушку динамика?

Намотка катушек динамиков производится виток к витку до получения заданной длины катушки. Количество витков при этом, как правило, не считают.

1. Катушка.
2. Гильза.
3. Прокладка.
4. Шаблон.

При намотке следует поддерживать постоянное натяжение провода и тщательно укладывать витки. Особенно тщательно укладываются витки второго слоя, когда каждый виток должен быть строго уложен между витками первого слоя.

Чтобы было удобно осуществлять такую точную работу, позаботьтесь об упоре для руки.

Катушку с обмоточным проводом можно закрепить любым удобным для Вас способом и установить на полу.

Подробнее о самом простом станке для намотки динамиков можно прочесть здесь.

Важно

Другой полезный инструмент, который понадобится для намотки катушек, это вот такая прищепка с грузиком.

Далее я расскажу о том, как намотать катушку, и зафиксировать её витки клеем «БФ-2» или «БФ-4».

Необходимую вязкость клея можно обеспечить добавлением небольшого количества спирта с тщательным перемешиванием.

Разверните плеер на весь экран, чтобы увидеть видео в полном разрешении.

Перед основной намоткой, на гильзу наматывается несколько лишних витков, для того, чтобы надёжно закрепить провод и гильзу на поверхности шаблона. Затем во время очередного лишнего витка на гильзу кисточкой наносится равномерный слой клея.

После этого, быстро мотается первый слой катушки. Затем к проводу цепляется грузик, который позволяет сохранить необходимое натяжение провода и освободить до этого занятую руку. Затем, первый слой катушки покрывается клеем.

Через пятнадцать-двадцать минут, когда клей подсохнет, можно приступать к намотке второго слоя.

Сначала мотается один два витка второго слоя, а затем первый слой катушки покрывается клеем. Это делается для того, чтобы свежий клей не растворил клей, нанесённый ранее, и первый виток второго слоя не провалился в образовавшуюся щель между крайними витками первого слоя.

После намотки второго слоя провода, катушка подсушивается в течение 10-15 минут, а затем снова покрывается клеем.

Совет

Когда клей хорошо подсохнет, можно, либо снять с оправки катушку вместе с гильзой, если она уже вклеена в диффузор, либо вклеить её в диффузор прямо на шаблоне.

Однако в некоторых случаях гильзу вклеивают в диффузор уже во время сборки динамика.

Чтобы снять гильзу с шаблона, то место прокладки, где была нанесена фиксирующая капля клея, отрезается, и гильза снимается с оправки вместе с катушкой и прокладкой.

Если прокладка не скользит по оправке, значит, натяжение провода при намотке было слишком велико. Нужно отметить, что чрезмерное натяжение провода может уменьшить зазор между гильзой и керном и сделать сборку динамика невозможной. Это обусловлено тем, что медный провод может растягиваться и сжиматься, как и любой другой металл.

Так как в гильзе имеется щель, то во время намотки катушки в неё проникает клей и гильза приклеивается к прокладке.

Для того чтобы отделить прокладку от гильзы достаточно при помощи кисточки слегка смочить ацетоном или спиртом место, где прокладка склеилась с гильзой.

Вот наша катушка и готова. Теперь её следует досушить до конца.

Для окончательного отверждения клея, на катушку подаётся электрический ток. Силу тока подбирают для достижения оптимального режима отверждения.

Температуру в процессе сушки можно измерить электронным термометром.

Если нет подходящего блока питания, то катушку можно подключить к УНЧ и подать на его вход сигнал от Генератора Низкой Частоты (ГНЧ). Ссылка на программный ГНЧ есть в «Дополнительных материалах».

Режим отверждения клеев «БФ-2», «БФ-4».

Выдержать 60 мин. при комнатной температуре.

Затем 15 мин. при 55… 60ºС.

Затем 60 мин. при 85… 90ºС.

Вернуться наверх к “Навигации”.

Страницы 1 2 3 4 5 6 7 8

10 Декабрь, 2011 (17:18) в Ремонт техники

Источник: https://oldoctober.com/ru/loudspeaker_5/

Измерение параметров Тиля-Смолла в домашних условиях

12 Октября 2006 Автор: Павел

Вот решил сам написать статью, весьма важную для акустиков. В этой статье хочу описать способы измерения самых важных параметров динамических головок – параметры Тиля-Смолла.

Самыми основными параметрами Тиля-Смолла, по которым можно рассчитать и изготовить акустическое оформление (проще говоря – ящик) являются:

• Резонансная частота динамика Fs (Герц)
• Эквивалентный объем Vas (литров или кубических футов)
• Полная добротность Qts
• Сопротивление постоянному току Re (Ом) 

Для более серьезного подхода понадобится еще знать:

• Механическую добротность Qms
• Электрическую добротность Qes
• Площадь диффузора Sd (м2) или его диаметр Dia (см)
• Чувствительность SPL (dB)
• Индуктивность Le (Генри)
• Импеданс Z (Ом)
• Пиковую мощность Pe (Ватт)
• Массу подвижной системы Mms (г)
• Относительную жесткость (механическая гибкость) Cms (метров/ньютон)
• Механическое сопротивление Rms (кг/сек)
• Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL (Тесла*м)

Большинство этих параметров может быть измерено или рассчитано в домашних условиях с помощью не особо сложных измерительных приборов и компьютера или калькулятора, умеющего извлекать корни и возводить в степень.

Для еще более серьезного подхода к проектированию акустического оформления и учета характеристик динамиков рекомендую читать более серьезную литературу.

Автор этого “труда” не претендует на особые знания в области теории, а все тут изложенное является компиляцией из различных источников – как иностранных, так и российских.

Измерение параметров Тиля-Смолла Re, Fs, Fc, Qes, Qms, Qts, Qtc, Vas, Cms, Sd, Mms

Для проведения измерений этих параметров вам понадобится следующее оборудование:

1. Вольтметр
2. Генератор сигналов звуковой частоты. Подойдут программы-генераторы, которые генерируют необходимые частоты. Типа Marchand Function Generator или NCH tone generator. Так как дома не всегда можно найти частотомер, можно вполне доверится этим программам и Вашей звуковой карте, установленной на компьютере.
3. Мощный (не менее 5 ватт) резистор сопротивлением 1000 ом
4. Точный (+- 1%) резистор сопротивлением 10 ом
5. Провода, зажимы и прочая дребедень для соединения всего этого в единую схему.

Схема для измерений

Калибровка:

Для начала необходимо откалибровать вольтметр. Для этого вместо динамика подсоединяется сопротивление 10 Ом и подбором напряжения, выдаваемого генератором, надо добиться напряжения 0.01 вольта.

Если резистор другого номинала, то напряжение должно соответствовать 1/1000 номинала сопротивления в Омах. Например, для калибровочного сопротивления 4 Ома напряжение должно быть 0.004 вольта.

Запомните! После калибровки регулировать выходное напряжение генератора НЕЛЬЗЯ до окончания всех измерений.

Нахождение Re

Теперь, подсоединив вместо калибровочного сопротивления динамик и выставив на генераторе частоту, близкую к 0 герц, мы можем определить его сопротивление постоянному току Re. Им будет являться показание вольтметра, умноженное на 1000. Впрочем, Re можно замерить и непосредственно омметром.

Нахождение Fs и Rmax

Динамик при этом и всех последующих измерениях должен находиться в свободном пространстве. Резонансная частота динамика находится по пику его импеданса (Z-характеристике). Для ее нахождения плавно изменяйте частоту генератора и смотрите на показания вольтметра.

Та частота, на которой напряжение на вольтметре будет максимальным (дальнейшее изменение частоты будет приводить к падению напряжения) и будет являться частотой основного резонанса для этого динамика. Для динамиков диаметром больше 16см эта частота должна лежать ниже 100Гц. Не забудьте записать не только частоту, но и показания вольтметра.

Умноженные на 1000, они дадут сопротивление динамика на резонансной частоте Rmax, необходимое для расчета других параметров.

Нахождение Qms, Qes и Qts

Эти параметры находятся по следующим формулам:

Как видно, это последовательное нахождение дополнительных параметров Ro, Rx и измерение неизвестных нам ранее частот F1 и F2. Это частоты, при которых сопротивление динамика равно Rx. Поскольку Rx всегда меньше Rmax, то и частот будет две – одна несколько меньше Fs, а другая несколько больше. Вы можете проверить правильность своих измерений следующей формулой:

Если расчетный результат отличается от найденного ранее больше, чем на 1 герц, то нужно повторить все сначала и более аккуратно. Итак, мы нашли и рассчитали несколько основных параметров и можем на их основании делать некоторые выводы:

1. Если резонансная частота динамика выше 50Гц, то он имеет право претендовать на работу в лучшем случае как мидбас. О сабвуфере на таком динамике можно сразу забыть.
2. Если резонансная частота динамика выше 100Гц, то это вообще не низкочастотник. Можете использовать его для воспроизведения средних частот в трехполосных системах.
3. Если соотношение Fs/Qts у динамика составляет менее 50-ти, то этот динамик предназначен для работы исключительно в закрытых ящиках. Если больше 100 – исключительно для работы с фазоинвертором или в бандпассах. Если же значение находится в промежутке между 50 и 100, то тут нужно внимательно смотреть и на другие параметры – к какому типу акустического оформления динамик тяготеет. Лучше всего для этого использовать специальные компьютерные программы, способные смоделировать в графическом виде акустическую отдачу такого динамика в разном акустическом оформлении. Правда при этом не обойтись без других, не менее важных параметров – Vas, Sd, Cms и L.

Нахождение Sd

Это так называемая эффективная излучающая поверхность диффузора. Для самых низких частот (в зоне поршневого действия) она совпадает с конструктивной и равна:

Радиусом R в данном случае будет являться половина расстояния от середины ширины резинового подвеса одной стороны до середины резинового подвеса противоположной. Это связано с тем, что половина ширины резинового подвеса также является излучающей поверхностью. Обратите внимание, что единица измерения этой площади – квадратные метры. Соответственно и радиус нужно в нее подставлять в метрах.

Для этого нужны результаты одного из отсчетов из самого первого теста. Понадобится импеданс (полное сопротивление) звуковой катушки на частоте около 1000Гц.

Поскольку реактивная составляющая (XL) отстоит от активной Re на угол 900, то можно воспользоваться теоремой Пифагора:
Поскольку Z (импеданс катушки на определенной частоте) и Re (сопротивление катушки по постоянному току) известны, то формула преобразуется к:
Найдя реактивное сопротивление XL на частоте F можно рассчитаь и саму индуктивность по формуле:

Измерения Vas

Есть несколько способов измерения эквивалентного объема, но в домашних условиях проще использовать два: метод “добавочной массы” и метод “добавочного объема”. Первый из них требует из материалов несколько грузиков известного веса.

Можно использовать набор грузиков от аптечных весов или воспользоваться старыми медными монетками 1,2,3 и 5 копеек, поскольку вес такой монетки в граммах соответствует номиналу.

Второй метод требует наличия герметичного ящика заранее известного объема с соответствующим отверстием под динамик.{mospagebreak}

Нахождение Vas методом добавочной массы

Для начала нужно равномерно нагрузить диффузор грузиками и вновь измерить его резонансную частоту, записав ее как F’s. Она должна быть ниже, чем Fs. Лучше если новая резонансная частота будет меньше на 30%-50%. Масса грузиков берется приблизительно 10 граммов на каждый дюйм диаметра диффузора. Т.е. для 12″ головки нужен груз массой около 120 граммов.

Затем необходимо рассчитать Cms на основе полученных результатов по формуле:

где М – масса добавленных грузиков в килограммах.

Исходя из полученных результатов Vas(м3) рассчитывается по формуле:

Нахождение Vas методом добавочного объема

Нужно герметично закрепить динамик в измерительном ящике. Лучше всего это сделать магнитом наружу, поскольку динамику все равно, с какой стороны у него объем, а вам будет проще подключать провода. Да и лишних отверстий при этом меньше. Объем ящика обозначен как Vb.

Затем нужно произвести измерения Fс (резонансной частоты динамика в закрытом ящике) и, соответственно, вычислить Qmc, Qec и Qtc. Методика измерения полностью аналогична описанной выше. Затем находится эквивалентный объем по формуле:

Полученных в результате всех этих измерений данных достаточно для дальнейшего расчета акустического оформления низкочастотного звена достаточно высокого класса. А вот как оно рассчитывается – это уже совсем другая история.

Определение механической гибкости Cms

Где Sd – эффективная площадь диффузора с номинальным диаметром D. Как вычислять написано ранее.

Определение массы подвижной системы Mms

Она легко рассчитывается по формуле:

Двигательную мощность (произведение индукции в магнитном зазоре на длину провода звуковой катушки) BL

Самое главное не забывайте, что для более точных значений измерения параметров Тиля-Смолла необходимо проводить эксперимент несколько раз, а затем путем усреднения получать более точные значения.

Источник: https://baseacoustica.ru/akustika/3-dinamicheskie-golovki/72-izmerenie-parametrov-tiljasmolla-v-domashnih-uslovijah/

формула через силу тока, индуктивность или площадь, единица измерения в физике

Что такое ЭДС индукции — когда возникает, при каких условиях

Определение

Электродвижущая сила, ЭДС — физическая величина, описывающая работу любых сил, которые действуют в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока, за исключением диссипативных и электростатических сил.

При замкнутой цепи можно найти ЭДС, воспользовавшись законом Ома:

\(\varepsilon\;=\;I\;\times\;(R\;+\;r).\)

R здесь — сопротивление цепи, r — внутреннее сопротивление источника.
Создание Алессандро Вольтой надежного источника электричества, гальванического элемента, и открытие Хансом Кристианом Эрстедом магнитного действия электрического тока послужили толчком к интенсивному развитию техники электрических измерений в XIX веке.

Выдающаяся роль здесь принадлежит немецкому физику Георгу Симону Ому. Для определения силы тока он использовал принцип крутильных весов Кулона. На длинной тонкой нити подвешено горизонтальное коромысло с заряженным шариком на конце. Второй заряд закреплен на спице, пропущенной сквозь крышку весов.

При их взаимодействии коромысло поворачивается. Вращение головки в верхней части весов закручивало нить, возвращая коромысло в исходное состояние. По углу закручивания можно рассчитать силу взаимодействия зарядов в зависимости от расстояния между ними.

Ом по величине угла закрутки судил о силе тока I в проводнике, т. е. количестве электричества, перенесенном через поперечное сечение проводника за единицу времени.

В качестве основной характеристики источника тока Ом брал величину напряжения \varepsilon на электродах гальванического элемента при разомкнутой цепи. Эту величину \varepsilon он назвал электродвижущей силой, сокращенно ЭДС.

Движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Однако действующая в нем на магнит или другой ток сила отличается от электрической своим направлением — магнитная стрелка старается развернуться перпендикулярно проводу.

Изучение действующей на другой ток силы переросло в отдельное исследование с неожиданным результатом: сила оказалась направленной всегда перпендикулярно внесенному в магнитное поле проводнику, который для простоты исследования был прямолинейным.

Математическое выражение для этой силы, названной силой Ампера, проще всего записать в виде векторного произведения:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\).

I здесь — сила тока, протекающего через проводник; l — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; В — характеристика поля. Величина В называется магнитной индукцией и является аналогом электрической напряженности.

Максвелл поставил целью создать теорию эфира, связав его механические характеристики с электрическими и магнитными силами. Тщательно изучив труды Фарадея, он пришел к выводу, что напряженность \(\overrightarrow Е\) электрического поля объясняется упругими напряжениями в эфире, а магнитная индукция \(\overrightarrow B\) — его вихревыми движениями.

Рассматривая замкнутый проводящий контур С, где действует ЭДС индукции \(\varepsilon_i\), Максвелл для получения числа силовых линий магнитного потока \(\triangle Ф\), пересекаемых контуром за время \triangle t, «натягивал» на него некую поверхность S, разбитую на элементарные площадки \(\triangle S\), и отождествлял Ф с магнитным потоком сквозь всю поверхность. Математически это можно выразить так:

\(Ф\;=\;\sum_{\triangle S}\;\;B\triangle S. \)

Объединив это соотношение с идеей Фарадея, Максвелл пришел к собственной формуле:

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\frac1с\;\times\;\frac{dФ}{dt}.\)

Выбор коэффициента пропорциональности \(\alpha\) здесь обусловлен необходимостью согласования формулы с законом Био — Савара — Лапласа, в котором появляется та же электродинамическая постоянная с.

Определение

Электродинамическая постоянная с — универсальная постоянная, равная скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.

Но в опытах Фарадея ЭДС индукции регистрировалась как в движущемся, так и в покоящемся проводящем контуре С, если последний находился в переменном магнитном поле. И здесь встал вопрос, что конкретно перемещает заряды в неподвижном проводнике.

Само по себе магнитное поле не воздействует на заряды, находящиеся в покое, из чего следует: условие возникновения индукционного тока — возникающее в контуре электрическое поле \overrightarrow Е. Так как электростатическое поле в замкнутом контуре не совершает работы, значит, происходит работа вихревого поля, и она равна ЭДС индукции:

\(\varepsilon_i\;=\;\underset С{\oint\;}\;(\overrightarrow{Е\;}\times\;d\overrightarrow l)\)

Определение

Самоиндукция — частный случай магнитной индукции, возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре, когда в нем меняется ток.

Источником энергии, возникающей в цепи, является в этом случае запас энергии магнитного поля. Полное количество выделившейся джоулевой теплоты можно вычислить, изобразив на графике зависимость магнитного потока Ф(I) от силы тока I:

Источник: physics.ru

ЭДС в быту, как обозначается, единицы измерения

В быту явление электромагнитной индукции используют для изменения величины напряжения тока в трансформаторах и дросселях. На принципе магнитной индукции работают электрические счетчики, реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов.

Существуют также магнитные газовые генераторы, в которых благодаря магнитному полю возникает электродвижущая сила, создающая ток.

Электродвижущая сила индукции в системе СИ измеряется в вольтах. Просто электродвижущая сила обозначается греческой буквой \(\varepsilon \), электродвижущая сила индукции —\( \varepsilon_i.\)

Законы Фарадея и Ленца

Фарадей опытным путем выяснил, что при пересечении проводником магнитных силовых линий по нему проходит заряд \(\triangle Q\). Он связан с числом пересеченных силовых линий \( \triangle Ф\) и электрическим сопротивлением контура R, что выражается законом Фарадея:

\(\triangle Q\;=\;\alpha\frac{\triangle Ф}R. \)

Соприкосновение поля и проводника вызвано либо движением проводника, либо изменениями самого магнитного поля. 

Саму электродвижущую силу индукции, связанную с сопротивлением контура и силой тока согласно закону Ома, можно найти по формуле

\(\varepsilon_i\;=\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}. \)

\(\triangle t\) здесь — время, за которое проходит через поперечное сечение проводника количество электричества \(\triangle Q.\)
Ленц доказал, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине. Согласно правилу Ленца, в вышеприведенном соотношении следует выбрать отрицательный знак, считая коэффициент\( \alpha \) положительным: 

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}.\)

Как рассчитать электродвижущую силу индукции, формулы

Через магнитный поток

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}. \)

Через силу тока

ЭДС самоиндукции зависит от изменения силы тока, при этом магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в ней:

\(\varepsilon_{is\;}\;=\;-\;L\frac{\triangle I}{\triangle t}. \)

L здесь — индуктивность проводника.

Через сопротивление

Для ЭДС индукции уравнение закона Ома можно переписать в виде:
\(\varepsilon_{i\;}\;=\;IR\;-\;\varepsilon.\)

Через угловую скорость

\(\varepsilon_i\;=\;В\omega SN\sin\left(\alpha\right). \)

B здесь — индукция магнитного поля, \(\omega\) — угловая скорость вращения рамки, S — площадь рамки, N — число витков, \(\alpha\) — угол между векторами индукции магнитного поля и скорости движения проводника.

Через площадь

Если магнитный поток изменяется без деформации витков, т. е. их количество и площадь не меняются, то можно найти электродвижущую силу индукции через площадь.
Угол \alpha между вектором магнитного поля и нормалью к плоскости витков будет равен:

\(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t. \)Полный магнитный поток в момент времени t будет равен:

\(\psi_B\;=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(\alpha\right)=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t\right).\)

Тогда \(\varepsilon_i\;=\;-\;\frac{d\psi_B}{dt}=\;2\mathrm{pivNBSsin}\left(2\mathrm{pivt}\right).\)

Индуктивность — Inductance — qaz.wiki

В электромагнетизма и электроники , индуктивность является тенденция к электрическому проводнику , чтобы противостоять изменению электрического тока , протекающего через него. Поток электрического тока создает вокруг проводника магнитное поле . Напряженность поля зависит от величины тока и следует за любыми изменениями тока. Из закона индукции Фарадея , любое изменение в магнитном поле через цепь индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) ( напряжения ) в проводниках, процесс , известный как электромагнитная индукция . Это индуцированное напряжение, создаваемое изменяющимся током, имеет эффект противодействия изменению тока. Об этом говорит закон Ленца , а напряжение называется обратной ЭДС .

Индуктивность определяется как отношение индуцированного напряжения к скорости изменения вызывающего его тока. Это коэффициент пропорциональности, который зависит от геометрии проводников цепи и магнитной проницаемости соседних материалов. Электронный компонент предназначен для добавления индуктивности в цепи называется индуктором . Обычно он состоит из катушки или спирали проволоки.

Термин индуктивность был введен Оливером Хевисайдом в 1886 году. Принято использовать символ индуктивности в честь физика Генриха Ленца . В системе СИ единицей индуктивности является генри (H), то есть величина индуктивности, которая вызывает напряжение в один вольт , когда ток изменяется со скоростью один ампер в секунду. Он назван в честь Джозефа Генри , который открыл индуктивность независимо от Фарадея. L {\ displaystyle L}

История

История электромагнитной индукции, аспекта электромагнетизма, началась с наблюдений древних: электрического заряда или статического электричества (натирание шелка о янтарь ), электрического тока ( молнии ) и магнитного притяжения (магнитный камень ). Понимание единства этих сил природы и научная теория электромагнетизма началась в конце 18 века.

Электромагнитная индукция была впервые описана Майклом Фарадеем в 1831 году. В эксперименте Фарадей намотал два провода на противоположные стороны железного кольца. Он ожидал, что, когда ток начнет течь по одному проводу, через кольцо пройдет своего рода волна и вызовет электрический эффект на противоположной стороне. Используя гальванометр , он наблюдал переходный ток во второй катушке провода каждый раз, когда батарея была подключена или отключена от первой катушки. Этот ток был вызван изменением магнитного потока, которое происходило при подключении и отключении батареи. Фарадей обнаружил несколько других проявлений электромагнитной индукции. Например, он видел переходные токи, когда он быстро вставлял стержневой магнит в катушку проводов и из нее, и он генерировал постоянный ( постоянный ) ток, вращая медный диск возле стержневого магнита с помощью скользящего электрического провода (« диск Фарадея» «).

Источник индуктивности

Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг проводника магнитное поле , которое описывается законом оборота Ампера . Полный магнитный поток через цепь равен произведению перпендикулярной составляющей плотности магнитного потока и площади поверхности, охватывающей путь тока. Если ток меняется, магнитный поток через цепь изменяется. Согласно закону индукции Фарадея , любое изменение потока через цепь индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) или напряжение в цепи, пропорциональную скорости изменения потока. я {\ displaystyle i} Φ {\ displaystyle \ Phi} Φ {\ displaystyle \ Phi} v {\ displaystyle v}

v ( т ) знак равно — d d т Φ ( т ) {\ displaystyle v (t) = — {\ frac {\ text {d}} {{\ text {d}} t}} \, \ Phi (t)}

Отрицательный знак в уравнении указывает на то, что индуцированное напряжение имеет направление, противоположное изменению тока, создавшего его; это называется законом Ленца . Поэтому потенциал называется обратной ЭДС . Если ток увеличивается, напряжение на конце проводника, через который входит ток, будет положительным, а на конце, через который он выходит, отрицательным, что ведет к уменьшению тока. Если ток уменьшается, напряжение на конце, через которое ток покидает проводник, будет положительным, стремясь поддерживать ток. Самоиндуктивность, обычно называемая индуктивностью, — это соотношение между наведенным напряжением и скоростью изменения тока. L {\ displaystyle L}

v ( т ) знак равно L d я d т ( 1 ) {\ displaystyle v (t) = L \, {\ frac {{\ text {d}} i} {{\ text {d}} t}} \ qquad \ qquad \ qquad (1) \;}

Таким образом, индуктивность — это свойство проводника или цепи из-за его магнитного поля, которое имеет тенденцию противодействовать изменениям тока в цепи. Единицей индуктивности в системе СИ является генри (H), названный в честь американского ученого Джозефа Генри , который представляет собой величину индуктивности, которая генерирует напряжение в один вольт при изменении тока со скоростью один ампер в секунду.

Все проводники имеют некоторую индуктивность, которая может иметь как желательные, так и вредные эффекты в практических электрических устройствах. Индуктивность цепи зависит от геометрии пути тока и от магнитной проницаемости близлежащих материалов; ферромагнитные материалы с более высокой проницаемостью, такие как железо возле проводника, имеют тенденцию увеличивать магнитное поле и индуктивность. Любое изменение в цепи, которое увеличивает поток (общее магнитное поле) через цепь, создаваемую заданным током, увеличивает индуктивность, потому что индуктивность также равна отношению магнитного потока к току.

L знак равно Φ ( я ) я {\ Displaystyle L = {\ Phi (я) \ над i}}

Индуктор представляет собой электрический компонент , состоящий из проводника в форме , чтобы увеличить магнитный поток, чтобы добавить индуктивности в цепи. Обычно он состоит из проволоки, скрученной в катушку или спираль . Спиральный провод имеет более высокую индуктивность, чем прямой провод той же длины, поскольку силовые линии магнитного поля проходят через цепь несколько раз, и он имеет несколько магнитных связей . Индуктивность пропорциональна квадрату количества витков в катушке, предполагая, что потокосцепление полное.

Индуктивность катушки можно увеличить, поместив магнитопровод из ферромагнитного материала в отверстие в центре. Магнитное поле катушки намагничивает материал сердечника, выравнивая его магнитные домены , а магнитное поле сердечника складывается с магнитным полем катушки, увеличивая поток, проходящий через катушку. Это называется индуктором с ферромагнитным сердечником . Магнитопровод может увеличить индуктивность катушки в тысячи раз.

Если несколько электрических цепей расположены близко друг к другу, магнитное поле одной может проходить сквозь другую; в этом случае цепи называют индуктивно связанными . Из-за закона индукции Фарадея изменение тока в одной цепи может вызвать изменение магнитного потока в другой цепи и, таким образом, вызвать напряжение в другой цепи. В этом случае понятие индуктивности можно обобщить, определив взаимную индуктивность цепи и цепи как отношение индуцированного напряжения в цепи к скорости изменения тока в цепи . Это принцип трансформатора . M k , ℓ {\ displaystyle M_ {k, \ ell}} k {\ displaystyle k} ℓ {\ displaystyle \ ell} ℓ {\ displaystyle \ ell} k {\ displaystyle k} Свойство, описывающее влияние одного проводника на самого себя, точнее называется самоиндукцией , а свойства, описывающие влияние одного проводника с изменением тока на соседние проводники, называют взаимной индуктивностью .

Самоиндукция и магнитная энергия

Если ток через проводник с индуктивностью увеличивается, на проводнике индуцируется напряжение с полярностью, противоположной току, в дополнение к любому падению напряжения, вызванному сопротивлением проводника. Заряды, протекающие по цепи, теряют потенциальную энергию. Энергия от внешней цепи, необходимая для преодоления этого «потенциального холма», сохраняется в увеличенном магнитном поле вокруг проводника. Следовательно, индуктор накапливает энергию в своем магнитном поле. В любой момент времени мощность, протекающая в магнитное поле, которая равна скорости изменения накопленной энергии , является произведением тока и напряжения на проводнике. v ( т ) {\ Displaystyle v (т)} т {\ displaystyle t} п ( т ) {\ displaystyle p (t)} U {\ displaystyle U} я ( т ) {\ Displaystyle я (т)} v ( т ) {\ Displaystyle v (т)}

п ( т ) знак равно d U d т знак равно v ( т ) я ( т ) {\ displaystyle p (t) = {\ frac {{\ text {d}} U} {{\ text {d}} t}} = v (t) \, i (t)}

Из (1) выше

d U d т знак равно L ( я ) я d я d т {\ displaystyle {\ frac {{\ text {d}} U} {{\ text {d}} t}} = L (i) \, i \, {\ frac {{\ text {d}} i} {{\ text {d}} t}}}

d U знак равно L ( я ) я d я {\ Displaystyle {\ текст {d}} U = L (я) \, я \, {\ текст {d}} я \,}

Когда нет тока, нет магнитного поля и запасенная энергия равна нулю. {2}}

Следовательно, индуктивность также пропорциональна энергии, запасенной в магнитном поле для данного тока. Эта энергия сохраняется, пока ток остается постоянным. Если ток уменьшается, магнитное поле уменьшается, вызывая напряжение в проводнике в противоположном направлении, отрицательное на конце, через которое ток входит, и положительное на конце, через которое он выходит. Это возвращает накопленную магнитную энергию во внешнюю цепь.

Если ферромагнитные материалы расположены рядом с проводником, например, в индукторе с магнитным сердечником , приведенное выше уравнение постоянной индуктивности справедливо только для линейных областей магнитного потока, при токах ниже уровня насыщения ферромагнитного материала , когда индуктивность приблизительно постоянна. Если магнитное поле в индукторе приближается к уровню, при котором сердечник насыщается, индуктивность начинает изменяться с током, и необходимо использовать интегральное уравнение.

Индуктивное реактивное сопротивление

Формы сигналов напряжения ( , синий) v {\ displaystyle v} и тока ( , красный) я {\ displaystyle i} в идеальной катушке индуктивности, к которой был приложен переменный ток. Ток отстает от напряжения на 90 °

Когда синусоидальный переменный ток (AC) проходит через линейную индуктивность, наведенная обратная ЭДС также синусоидальна. Если ток через индуктивность равен , то из (1) напряжение на ней выше я ( т ) знак равно я вершина горы грех ⁡ ( ω т ) {\ Displaystyle я (т) = я _ {\ текст {пик}} \ грех \ влево (\ омега т \ вправо)}

v ( т ) знак равно L d я d т знак равно L d d т [ я вершина горы грех ⁡ ( ω т ) ] знак равно ω L я вершина горы потому что ⁡ ( ω т ) знак равно ω L я вершина горы грех ⁡ ( ω т + π 2 ) {\ displaystyle {\ begin {align} v (t) & = L {\ frac {{\ text {d}} i} {{\ text {d}} t}} = L \, {\ frac {\ text {d}} {{\ text {d}} t}} \ left [I _ {\ text {peak}} \ sin \ left (\ omega t \ right) \ right] \\ & = \ omega L \, I_ {\ text {пик}} \, \ cos \ left (\ omega t \ right) = \ omega L \, I _ {\ text {peak}} \, \ sin \ left (\ omega t + {\ pi \ over 2 } \ right) \ end {выровнен}}}

где — амплитуда (пиковое значение) синусоидального тока в амперах, — угловая частота переменного тока, которая является его частотой в герцах , — индуктивность. я вершина горы {\ displaystyle I _ {\ text {пик}}} ω знак равно 2 π ж {\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f} ж {\ displaystyle f} L {\ displaystyle L}

Таким образом, амплитуда (пиковое значение) напряжения на индуктивности равна

V п знак равно ω L я п знак равно 2 π ж L я п {\ Displaystyle V_ {p} = \ omega L \, I_ {p} = 2 \ pi f \, L \, I_ {p}}

Индуктивное реактивное сопротивление — это сопротивление катушки индуктивности переменному току. Он определяется аналогично электрическому сопротивлению в резисторе, как отношение амплитуды (пикового значения) переменного напряжения к току в компоненте.

Икс L знак равно V п я п знак равно 2 π ж L {\ displaystyle X_ {L} = {\ frac {V_ {p}} {I_ {p}}} = 2 \ pi f \, L}

Реактивное сопротивление измеряется в омах . Можно видеть, что индуктивное реактивное сопротивление катушки индуктивности увеличивается пропорционально частоте , поэтому катушка индуктивности проводит меньше тока для данного приложенного напряжения переменного тока по мере увеличения частоты. Поскольку индуцированное напряжение является наибольшим при увеличении тока, формы волны напряжения и тока не совпадают по фазе ; пики напряжения возникают раньше в каждом цикле, чем пики тока. Разность фаз между током и индуцированным напряжением составляет радиан или 90 градусов, показывая, что в идеальном индукторе ток отстает от напряжения на 90 ° . ж {\ displaystyle f} ϕ знак равно 1 2 π {\ displaystyle \ phi = {\ tfrac {1} {2}} \ pi}

Расчет индуктивности

В самом общем случае индуктивность может быть вычислена из уравнений Максвелла. Многие важные случаи можно решить с помощью упрощений. Если рассматриваются высокочастотные токи со скин-эффектом , плотности поверхностных токов и магнитное поле могут быть получены путем решения уравнения Лапласа . Если проводники представляют собой тонкие проволоки, самоиндукция по-прежнему зависит от радиуса проволоки и распределения тока в проволоке. Это распределение тока примерно постоянное (на поверхности или в объеме провода) для радиуса провода, намного меньшего, чем для других масштабов длины.

Индуктивность прямого одиночного провода

На практике более длинные провода имеют большую индуктивность, а более толстые провода меньше, что соответствует их электрическому сопротивлению (хотя отношения не являются линейными и отличаются по своему характеру от отношений, которые длина и диаметр связаны с сопротивлением).

Отделение провода от других частей схемы вносит неизбежную ошибку в результаты любых формул. Эти индуктивности часто называют «частичными индуктивностями», отчасти для того, чтобы стимулировать рассмотрение других вкладов в индуктивность всей цепи, которые не учитываются.

Практические формулы

Для вывода приведенных ниже формул см. Rosa (1908). Общая низкочастотная индуктивность (внутренняя и внешняя) прямого провода составляет:

L ОКРУГ КОЛУМБИЯ знак равно 200 нГ м ⋅ ℓ ⋅ [ пер ⁡ ( 2 ℓ р ) — 0,75 ] {\ displaystyle L _ {\ text {DC}} = 200 {\ tfrac {\ text {nH}} {\ text {m}}} \ cdot \ ell \ cdot \ left [\ ln \ left ({\ frac {\ , 2 \, \ ell \,} {r}} \ right) -0,75 \ right]}

где

Константа 0,75 — это всего лишь одно значение параметра из нескольких; разные частотные диапазоны, разные формы или очень длинные провода требуют немного другой постоянной ( см. ниже ). Этот результат основан на предположении, что радиус намного меньше длины , что является обычным случаем для проволоки и стержней. Диски или толстые цилиндры имеют немного другую формулу. р {\ displaystyle r} ℓ {\ displaystyle \ ell}

Для достаточно высоких частот скин-эффекты вызывают исчезновение внутренних токов, оставляя только токи на поверхности проводника; индуктивность для переменного тока определяется по очень похожей формуле: L AC {\ displaystyle L _ {\ text {AC}}}

L AC знак равно 200 нГ м ⋅ ℓ ⋅ [ пер ⁡ ( 2 ℓ р ) — 1 ] {\ displaystyle L _ {\ text {AC}} = 200 {\ tfrac {\ text {nH}} {\ text {m}}} \ cdot \ ell \ cdot \ left [\ ln \ left ({\ frac {\ , 2 \, \ ell \,} {r}} \ right) -1 \ right]}

где переменные и такие же, как указано выше; обратите внимание на измененный постоянный член теперь 1, ранее 0,75. ℓ {\ displaystyle \ ell} р {\ displaystyle r}

В примере из повседневного опыта, только один из проводников шнура лампы длиной 10 м, сделанный из провода калибра 18, имел бы индуктивность только около 19 мкГн, если бы он был вытянут прямо.

Взаимная индуктивность двух параллельных прямых проводов

Следует рассмотреть два случая:

1. Ток течет в одном и том же направлении по каждому проводу, и
2. ток течет по проводам в противоположных направлениях.

Токи в проводах не обязательно должны быть равными, хотя они часто бывают равными, как в случае полной цепи, где один провод является источником, а другой — обратным.

Взаимная индуктивность двух проводных контуров

Это обобщенный случай парадигматической двухконтурной цилиндрической катушки, по которой проходит однородный низкочастотный ток; петли — это независимые замкнутые цепи, которые могут иметь разную длину, любую ориентацию в пространстве и переносить разные токи. Тем не менее, погрешности, которые не включены в интеграл, будут небольшими только в том случае, если геометрия петель в основном гладкая и выпуклая: у них не слишком много изгибов, острых углов, витков, пересечений, параллельных сегментов, вогнутые полости или другие топологические «закрытые» деформации. Необходимым предикатом для сведения формулы интегрирования трехмерного многообразия к интегралу двойной кривой является то, что пути тока представляют собой нитевидные цепи, то есть тонкие провода, у которых радиус провода ничтожно мал по сравнению с его длиной.

Взаимной индуктивности с помощью нитевидной цепи на нитевидной цепи задается двойного интеграла Неймана формулы м {\ displaystyle m} п {\ displaystyle n}

L м , п знак равно μ 0 4 π ∮ C м ∮ C п d Икс м ⋅ d Икс п | Икс м — Икс п | {\ displaystyle L_ {m, n} = {\ frac {\ mu _ {0}} {4 \ pi}} \ oint _ {C_ {m}} \ oint _ {C_ {n}} {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {x} _ {m} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {x} _ {n}} {| \ mathbf {x} _ {m} — \ mathbf {x} _ {n } |}}}

где

Вывод

M я j   знак равно d е ж   Φ я j я j {\ Displaystyle M_ {ij} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ Phi _ {ij}} {I_ {j}}}}

где

Φ я j знак равно ∫ S я B j ⋅ d а знак равно ∫ S я ( ∇ × А j ) ⋅ d а знак равно ∮ C я А j ⋅ d s я знак равно ∮ C я ( μ 0 я j 4 π ∮ C j d s j | s я — s j | ) ⋅ d s я {\ Displaystyle \ Phi _ {ij} = \ int _ {S_ {i}} \ mathbf {B} _ {j} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {a} = \ int _ {S_ {i}} (\ nabla \ times \ mathbf {A_ {j}}) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {a} = \ oint _ {C_ {i}} \ mathbf {A} _ {j} \ cdot \ mathrm { d} \ mathbf {s} _ {i} = \ oint _ {C_ {i}} \ left ({\ frac {\ mu _ {0} I_ {j}} {4 \ pi}} \ oint _ {C_ {j}} {\ frac {\ mathrm {d} \ mathbf {s} _ {j}} {\ left | \ mathbf {s} _ {i} — \ mathbf {s} _ {j} \ right |} } \ right) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {s} _ {i}}

где

C я {\ displaystyle C_ {i}} — кривая, охватывающая поверхность ; и — произвольная ориентируемая область с ребром S я {\ displaystyle S_ {i}} S я {\ displaystyle S_ {i}} C я {\ displaystyle C_ {i}}

B j {\ displaystyle \ mathbf {B} _ {j}} — вектор магнитного поля за счет -го тока (цепи ). j {\ displaystyle j} C j {\ displaystyle C_ {j}}

А j {\ displaystyle \ mathbf {A} _ {j}} — векторный потенциал за счет -го тока. j {\ displaystyle j}

Теорема Стокса была использована для третьего шага равенства.

На последнем этапе равенства мы использовали выражение для потенциала с запаздыванием и игнорировали влияние запаздывающего времени (предполагая, что геометрия цепей достаточно мала по сравнению с длиной волны тока, который они несут). На самом деле это приблизительный шаг, и он действителен только для локальных цепей из тонких проводов. А j {\ displaystyle A_ {j}}

Самоиндукция проволочной петли

Формально самоиндуктивность проволочной петли определяется приведенным выше уравнением с . Однако здесь становится бесконечным, что приводит к логарифмически расходящемуся интегралу. Это требует учета конечного радиуса провода и распределения тока в проводе. Остается вклад интеграла по всем точкам и поправочный член, м знак равно п {\ displaystyle m = n} 1 / | Икс — Икс ′ | {\ displaystyle 1 / | \ mathbf {x} — \ mathbf {x} ‘|} а {\ displaystyle a}

L знак равно μ 0 4 π [ ∮ C ∮ C ′ d Икс ⋅ d Икс ′ | Икс — Икс ′ | ] + μ 0 4 π ℓ Y + О  за  | s — s ′ | v > 1 2 а {\ displaystyle L = {\ frac {\ mu _ {0}} {4 \ pi}} \ left [\ oint _ {C} \ oint _ {C ‘} {\ frac {d \ mathbf {x} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {x} ‘} {| \ mathbf {x} — \ mathbf {x}’ |}} \ right] + {\ frac {\ mu _ {0}} {4 \ pi}} \, \ ell \, Y + O \ quad {\ text {for}} \; \ left | \ mathbf {s} — \ mathbf {s} ‘\ right | v> {\ tfrac {1} {2}} а}

где

Индуктивность соленоида

Соленоид длинные, тонкие катушки; т.е. катушка, длина которой намного превышает ее диаметр. В этих условиях и без использования какого-либо магнитного материала плотность магнитного потока внутри катушки практически постоянна и определяется выражением B {\ displaystyle B}

B знак равно μ 0   N   я ℓ {\ displaystyle \ displaystyle B = {\ frac {\ mu _ {0} \ N \ i} {\ ell}}}

где — магнитная постоянная , количество витков, ток и длина катушки. Пренебрегая концевыми эффектами, общий магнитный поток, проходящий через катушку, получается умножением плотности потока на площадь поперечного сечения : μ 0 {\ displaystyle \ mu _ {0}} N {\ displaystyle N} я {\ displaystyle i} л {\ displaystyle l} B {\ displaystyle B} А {\ displaystyle A}

Φ знак равно μ 0   N   я   А ℓ , {\ displaystyle \ displaystyle \ Phi = {\ frac {\ mu _ {0} \ N \ i \ A} {\ ell}},}

Когда это сочетается с определением индуктивности , следует, что индуктивность соленоида определяется как: L знак равно N   Φ я {\ displaystyle \ displaystyle L = {\ frac {N \ \ Phi} {i}}}

L знак равно μ 0   N 2   А ℓ . {2} \ A} {\ ell}}.}

Следовательно, для катушек с воздушным сердечником индуктивность зависит от геометрии катушки и количества витков и не зависит от тока.

Индуктивность коаксиального кабеля

Пусть внутренний проводник имеет радиус и проницаемость , пусть диэлектрик между внутренним и внешним проводниками имеет проницаемость , а внешний проводник имеет внутренний радиус , внешний радиус и проницаемость . Однако для типичного применения коаксиальной линии нас интересует пропускание (не постоянного тока) сигналов на частотах, для которых нельзя пренебрегать резистивным скин-эффектом . В большинстве случаев члены внутреннего и внешнего проводников пренебрежимо малы, и в этом случае можно приблизительно р я {\ displaystyle r_ {i}} μ я {\ Displaystyle \ mu _ {я}} μ d {\ displaystyle \ mu _ {d}} р о 1 {\ displaystyle r_ {o1}} р о 2 {\ displaystyle r_ {o2}} μ 0 {\ displaystyle \ mu _ {0}}

L ′ знак равно d L d ℓ ≈ μ d 2 π пер ⁡ р о 1 р я {\ displaystyle L ‘= {\ frac {{\ text {d}} L} {{\ text {d}} \ ell}} \ quad \ приблизительно \ quad {\ frac {\ mu _ {d}} {2 \ pi}} \ ln {\ frac {r_ {o1}} {r_ {i}}}}

Индуктивность многослойных катушек

Наиболее практичные индукторы с воздушным сердечником представляют собой многослойные цилиндрические катушки с квадратным поперечным сечением, чтобы минимизировать среднее расстояние между витками (круглое поперечное сечение было бы лучше, но сложнее сформировать).

Магнитные сердечники

Многие индукторы включают магнитный сердечник в центре обмотки или частично вокруг нее. В достаточно большом диапазоне они демонстрируют нелинейную проницаемость с такими эффектами, как магнитное насыщение . Насыщение делает результирующую индуктивность функцией приложенного тока.

Секущая индуктивность или индуктивность большого сигнала используется в расчетах потока. Это определяется как:

L s ( я )   знак равно d е ж   N   Φ я знак равно Λ я {\ Displaystyle L_ {s} (я) \ {\ overset {\ underset {\ mathrm {def}} {}} {=}} \ {\ frac {N \ \ Phi} {i}} = {\ frac { \ Lambda} {i}}}

С другой стороны, дифференциальная индуктивность или индуктивность слабого сигнала используется при расчете напряжения. Это определяется как:

Объем транспортных коробок и контейнера

Это удобный счетчик кубических метров для расчета объема транспортировки картонных коробок в метрических единицах см и кг.

Как рассчитать кубические метры (куб. М) при отгрузке

Определение кубических метров (CBM) — это первый шаг, который вы должны сделать при определении способа доставки вашего груза.

Формула расчета
• куб. М:
  Длина (сантиметр) x ширина (сантиметр) x высота (сантиметр) / 1000000 = Длина (метр) x ширина (метр) x высота (метр) = кубический метр (м³).например 35 см x 35 см x 45 см = 0,055 куб. М (рассчитать кубический метр)
• Формула CFT: длина «x ширина» x высота «=? Деленное 1728 = кубические футы (CFT) (вычислить кубические футы)
• 1 кубический метр = 35,3146 кубических футов (конвертер куб. М и куб. Футов)
• 1 фунт = 0,45359237 кг, 1 кг = 2,20462262 фунта (конвертировать килограммы в фунты)

Как пользоваться данным калькулятором

1. С помощью линейки измерьте действительный размер внешней коробки.
2. Заполните пропуски размеров (длина, ширина, высота)
3. Заполните бланк картона, вес брутто
4. Заполнить бланк картонной коробки
5. Общий объем груза рассчитывается автоматически
6. Если вы предпочитаете использовать британские единицы измерения, дюймы и фунты, попробуйте этот калькулятор кубических футов для доставки (рассчитайте объем кубических футов из дюймов и фунтов).

Рассчитайте объемный вес вашего отправления

Иногда за большие предметы с небольшим общим весом взимается плата. в зависимости от места, которое они занимают в самолете, например. карнавальная повязка на голову, багаж. В этих случаях, объемный вес или объемный вес используется для расчета Стоимость доставки. Рекомендуется рассчитать объемный вес каждой отправляемой вами посылки, затем сравните это его фактический вес. Больший вес из двух используется для Определите цену, которую будет взимать с вас авиакомпания.

Международные объемные веса рассчитываются по формуле внизу:
(длина x ширина x высота в сантиметрах) / 5000 = объемный Масса в килограммах

Например:
Если у нас есть картонная упаковка размером 40 x 50 x 60 см, а общий вес (с продуктами) — 20 кг.

40 x 50 x 60 = 120000
120000/5000 = 24

Таким образом, объемный вес составляет 24 кг. а фактический вес 20 кг.
эта стоимость доставки будет взиматься с цены 24 кг.

Расчет CBM

Рассчитайте кубический метр (или кубический фут), объем и количество за транспортный контейнер.
Хотите быстро и легко вычислить, сколько из ваших продукт (ы) поместится в транспортную тару?
Вот простой и быстрый способ сделать это, чтобы получить приблизительную количество.

Мобильное приложение для Android

У нас есть новые приложения калькулятора CBM для устройства Android, если вам нравится наш калькулятор CBM и у вас есть мобильный / планшет Android, попробуйте наши удобные мобильные приложения на мобильном телефоне.Загрузите приложения калькулятора CBM в Google Play.

Грузоподъемность морских контейнеров

• 20-футовый контейнер примерно 26-28 куб.м
• 40-футовый контейнер примерно 55-58 куб. М
• 40-футовый контейнер HQ примерно 60-68 куб.м
• Контейнер штаб-квартиры 45 футов примерно 78 куб. М

Обратите внимание, что этот калькулятор предназначен только в качестве краткого руководства. На практике фактическая загрузка будет зависеть от точных расчетов, основанных на том, как предметы загружаются в контейнер, и оставляют ли размеры картонных коробок неиспользуемое пространство.Коэффициенты загрузки будут зависеть от размера коробки и способа их укладки внутри контейнеров.

Что вы думаете об этом инструменте?

Вот еще несколько калькуляторов и конвертеров объема, используемых в различных ситуациях, Эти онлайн-инструменты расчета бесплатны и просты в использовании, вы можете поделиться ими или попробовать их.

Индуктивность линии передачи — двухпроводная линия, трехфазная симметричная линия и трехфазная несимметричная линия

В средних и длинных линиях передачи индуктивность (реактивное сопротивление) более эффективно, чем сопротивление.Ток в линии передачи взаимодействует с другим параметром, то есть с индуктивностью. Мы знаем, что когда ток течет по проводнику, создается магнитный поток. При изменении тока в проводнике изменяется и количество линий потока, и в нем индуцируется ЭДС (закон Фарадея). Эта наведенная ЭДС представлена ​​параметром, известным как индуктивность.

Флюсовая связь с проводником состоит из двух частей, а именно внутреннего потока и внешнего потока.Внутренний поток создается из-за протекания тока в проводнике. Внешний поток, создаваемый вокруг проводника, возникает из-за его собственного тока, а ток других проводников проходит вокруг него. Полная индуктивность проводника определяется расчетом внутреннего и внешнего магнитного потока.

Индуктивность двухпроводной линии

Рассматривается однофазная линия, состоящая из двух проводов (фаза и нейтраль) a и b равного радиуса r. Они расположены на расстоянии D метров.Сечения проводов показаны на схеме ниже.

Пусть ток течет в проводниках противоположного направления, так что один становится обратным путем для другого.

Потоковые связи проводника «а» задаются формулой

Здесь,

I _a = + I
I _b = -I
D _aa = r ’
D _ab = D

Подставляя эти значения в уравнение выше

Аналогичным образом потокосцепление с проводником «b» будет

Индуктивность проводника «а»

Аналогично индуктивность проводника «b»

Индуктивность на провод

Индуктивность обоих проводников определяется по формуле

.

Индуктивность отдельного проводника составляет половину общей индуктивности двухпроводной линии.

Индуктивность симметричной трехфазной линии

В симметричной трехфазной линии все проводники расположены по углам равностороннего треугольника. Такое расположение проводов также называют равносторонним шагом. Это показано на схеме ниже

Пусть расстояние между проводниками равно D, а радиус каждого проводника r. Потоковые связи проводников и задаются уравнением:

В данном случае

Для трехпроводной системы алгебраическая сумма токов в проводниках равна нулю.

Таким образом, уравнение потока становится

Используя формулу Индуктивность проводника, «а» равно

Индуктивность проводников b и c также будет такой же, как у проводников a. Индуктивность трехфазной линии равна двухпроводной линии.

Индуктивность несимметричной трехфазной линии

Трехфазная линия считается несимметричной, если ее провода расположены на разных расстояниях. Такое расположение проводов наиболее распространено на практике из-за их дешевизны и удобства в конструкции и конструкции .

Рассмотрим трехфазную несимметричную линию, имеющую разное расстояние между проводниками, где радиус каждого проводника равен r. Это показано на схеме ниже

Потоковая связь в «а» выражается формулой

Потоковая связь в проводнике «a» из-за «b» определяется формулой

Потоковая связь в проводнике «a» из-за «c» определяется по

Среднее значение потокосцепления «а» составляет

Так для сбалансированных условий

По формуле

Средняя индуктивность фазы а составляет

Аналогично

Таким образом, установлено, что значения индуктивности для трех фаз уравниваются транспозициями.

Расчет электрической индуктивности

Расчет электрической индуктивности

Калькулятор электрической индуктивности COIL02

Скачать исходный код и исполняемую программу coil02.zip:

Эта программа вычисляет электрическую самоиндукцию различных формы и размеры катушек с воздушным сердечником, используя точные формулы от National Циркуляры Бюро стандартов и связанные с ними источники. Архив включает исходный код C код и исполняемый файл MSDOS.Расчеты включают индуктивность однослойный круговой соленоид из круглой проволоки, многослойный кольцевой соленоид, плоская спираль, круговой соленоидный токовый слой, N-образная круговая петля, прямой круглый провод, круговой тороид с круговая обмотка, круговое кольцо-тор с прямоугольной обмоткой, однослойный квадратный соленоид, однослойный прямоугольный соленоид, многослойный квадратный соленоид и расчет калибра проводов.

Применение:

При запуске отображается следующее начальное меню:

Геометрия катушки:

• 1 Циркулярный соленоид токовый лист
• 2 Прямой круглый провод
• Круговая петля с 3 поворотами на N
• 4 Круглый тороид, круговая обмотка
• 5 Многослойный квадратный соленоид (низкая точность)
• 6 Круглое торцевое кольцо, прямоугольная обмотка
• 7 Многослойный круглый соленоид
• 8 Однослойный круглый соленоид из круглой проволоки
• 9 Однослойный квадратный соленоид
• 10 Однослойный прямоугольный соленоид
• 11 Расчет калибра провода
• 12 Выберите размеры в дюймах или сантиметрах
• Выбрать геометрию (1)?

Выберите желаемую геометрию катушки из меню.Введите среднее диаметр, длина и толщина намотки, а также общее количество поворачивается, как было предложено. Программа отобразит индуктивность в henrys, затем вернитесь назад, чтобы получить больше информации. «Средний диаметр» — это среднее арифметическое внутреннего и внешнего диаметров обмотка; для однослойной катушки он измеряется до центра провод. «Толщина» для однослойной катушки — это диаметр проволоки (поправку на пустое пространство см. ниже) в обмотке).

Для каждого элемента ранее введенное значение отображается в круглые скобки и будут сохранены, если вы просто нажмете возврат каретки ключ.

Пункт 11, расчет калибра провода, подсказки для калибра провода и размеры заполняемой прямоугольной области. Это отображает диаметр провода и количество витков, которые будут вписаться в указанное пространство.

Получены формулы для многослойного кругового соленоида. из публикаций Национального бюро стандартов и очень точный. Они подходят для произвольной толщины и длины намотки. Катушка с плоским спиральным диском получается установкой длины = 0.

Также очень точна формула NBS для винтового соленоида круглая проволока. Он моделирует размер провода и неоднородность плотность тока внутри провода. Единственная формула с низкой точностью в комплекте один для многослойного квадратного соленоида; это приближение из справочника CRC.

В случае однооборотной петли или прямого отрезка проволоки вычисляется коррекция скин-эффекта. Для этого необходимо ввести частота срабатывания.Затем предполагается, что провод имеет проводимость меди.

Если диаметр проволоки или толщина намотки явно не указаны По запросу катушка моделируется как токовый слой нулевой толщины. За исключением круглого соленоида из круглой проволоки формулы предполагаем равномерную плотность тока по всей обмотке, модифицированную только когда включен скин-эффект.

В случаях, когда предполагается однородная плотность тока, нет поправка на пустое место в обмотке.Примерный поправка для катушек с короткой намоткой (Rosa, 1906)

dL = 0,00097 d N

где d — средний диаметр намотки в сантиметрах, а N — общее количество витков. Эта поправка в микрогенри добавляется к индуктивности.

Все расчеты предполагают, что и материал сердечника, и провод немагнитный.

Файлы:

катушка.c

основная программа для калькулятора катушек

coil.doc

этот файл

coil.mak

Makefile MSDOS

coil.nmk

Файл nmake MS Visual C

coil2_bc45.zip

Файл проекта Borland

coil.opt

Makefile VAX

descrip.mms

Makefile VAX

formulae.c

формулы индуктивности из публикаций NBS

лил.h

приближения к таблицам Лайла

Makefile

Makefile Unix

mathl.c

эллиптические интегралы и другие математические функции

tables.c

вычисляет таблицы из технических справочников

tables.ans

результат выполнения tables.c

tables.opt

Makefile VAX

bcb5.zip

Скрипты Borland Code Builder

Рекомендации:

Баттерворт 1915 г .: С.Баттерворт, «О коэффициентах самоиндукции и взаимной индукции». коаксиальных катушек, Philosophical Magazine, том 29 (1915), стр. 578-592

Дуайт, 1918 год: Дуайт, Электрический мир 71, стр. 300 (1918 г.). Формулы для длинных бухт.

Гровер 1918: Фредерик В. Гровер, «Дополнения к формулам индуктивности», Sci. Пап. № 320, Бюллетень Бюро стандартов 14, 555-570.

Гровер 1922a: Фредерик В. Гровер, «Таблицы для расчета индуктивность круглых катушек прямоугольного сечения, «Науч.Пап. № 455, Научные статьи Бюро стандартов 18, 451-487 (1922). Расширения Баттерворта для толстых круглых катушек.

Гровер 1922b: Фредерик В. Гровер, «Формулы и таблицы для расчета» индуктивности катушек многоугольной формы, Пап. № 468, г. Научные статьи Бюро стандартов 18, 737-762 (1922).

Гровер 1946: Фредерик В. Гровер, _Расчеты индуктивности, рабочие формулы and Tables_, Van Nostrand, 1946; Дувр, 1962 год.

Лайл, 1914 год: Т. Р. Лайл, «О самоиндукции круглых катушек прямоугольной формы. раздел «Философские труды Лондонского королевского общества», Series A, Volume 213 (1914), 421-435.

Нагаока 1909: Нагаока, Дж. Колледж наук, Токио, 27, ст. 6, стр. 18 (1909 г.). Индуктивность кольцевого соленоидального токового слоя.

Роза 1906: Sci. Пап. № 31, Бюллетень Бюро Стандартов 2, 161.

Скиллинг 1948 г .: Х. Х. Скиллинг, «Основы электрических волн», Wiley, 1948, стр. 99-101.

Снег 1952: Честер Сноу, «Формулы для вычисления емкости и индуктивности», Циркуляр Национального бюро стандартов № 544. Круглый соленоид из круглого провода.

Нива 1924 г .: Формула для однослойной прямоугольной катушки, приведенная в Grover 1946.

Шпильрейн, 1915 год: Spielrein, Archiv fur Elektrotechnik 3, p.182 (1915 г.). Формула для широкодисковых катушек.

См. Также раздел «Радиоформулы» в _Handbook of Химия и физика_, Chemical Rubber Publishing Co., для тороидальных и прямоугольных катушек, петель, прямого провода и т. д.

Программа Стива Мошьера

[email protected]

coil00.zip: декабрь 1992 г. (Исходная версия)
coil01.zip: февраль 1996 г. (пункт меню для выбора дюймов или сантиметров)
катушка02.zip: январь 2002 г. (используйте Lyle, если b / r Ноябрь 2004: Добавлен однослойный прямоугольный соленоид.

Получите coil02.zip:

На главную страницу:

Последнее обновление: 14 ноя 2004 г.

Конструкция трансформатора и индуктора — Switchcraft

Трансформаторы состоят из двух или более обмоток, магнитно связанных друг с другом. Чтобы улучшить эту связь, обмотки обычно располагаются на сердечнике из материала с низким сопротивлением.Т.е. материал с низким магнитным сопротивлением.

Коэффициент трансформации

Большинство инженеров-электриков хорошо знают, что коэффициент трансформации напряжения (и тока) равен отношению витков. Это можно понять, поняв, что все витки обмоток вокруг железного сердечника подвергаются воздействию одного и того же магнитного потока.

Напряжение, индуцируемое в катушке, определяется законом индукции Фарадея как:

\ begin {equal}
V = — \ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t}
\ end {уравнение}

Следовательно, можно заключить, что до тех пор, пока каждая катушка подвергается одинаковому изменению магнитного потока, полное индуцированное напряжение определяется как:

\ begin {уравнение}
В = — N \ cdot \ frac {\ mathrm {d} \ Phi} {\ mathrm {d} t}
\ end {формула}

Где \ (N \) — количество витков в катушке.Когда на обмотку подается внешнее напряжение, это напряжение делится поровну между витками катушки. Точно так же на каждый виток второй обмотки того же магнитопровода будет воздействовать определенное количество вольт на виток обмотки.

Однако проблема и важный параметр при проектировании трансформатора — это то, сколько витков использовать для каждого вольт.

Когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, повышенный ток вызывает падение напряжения на сопротивлении обмотки.Это приводит к небольшому снижению плотности потока в сердечнике, поскольку имеется меньшее напряжение намагничивания. Однако в идеале плотность магнитного потока в сердечнике должна оставаться постоянной независимо от нагрузки.

Преобразование импеданса

Иногда полезно рассматривать трансформатор как устройство преобразования импеданса.

Если коэффициент трансформации трансформатора определяется выражением:

\ [n = \ frac {N_2} {N_1} \]

Вторичное напряжение и ток, выраженные относительно первичной обмотки, тогда определяются как:

\ [V_2 = V_1 \ cdot n \]

\ [I_2 = \ frac {I_1} {n} \]

Коэффициент преобразования импеданса может быть получен как:

\ [Z_2 = \ frac {V_2} { I_2} = \ frac {V_1 \ cdot n} {\ frac {I_1} {n}} = n ^ 2 \ cdot \ frac {V_1} {I_1} = n ^ 2 \ cdot Z_1 \]

Следовательно, преобразование импеданса коэффициент, равняется квадрату отношения витков.

Технические характеристики трансформатора

Какие параметры важны, зависят от области применения, но включают:

• Первичное напряжение и ток
• Вторичное напряжение и ток
• Номинальная мощность
• Первичная индуктивность
• Индуктивность утечки

Для силовых трансформаторов Испытания на холостом ходу и на короткое замыкание обычно используются для получения электрических параметров трансформатора.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема полезна при анализе характеристик трансформатора.Трудно получить точную модель, но этой упрощенной модели достаточно для большинства трансформаторов. Заметным исключением являются трансформаторы высокого напряжения, используемые в электросети, но это выходит за рамки данной статьи.

\ (R_1 \) и \ (X_1 \) представляют сопротивление и реактивное сопротивление первичной обмотки, а \ (R_2 \) и \ (X_2 \) представляют вторичную обмотку.

\ (X_m \) и \ (R_m \) представляет реактивное сопротивление намагничивания и потери в сердечнике соответственно.